JP2012515129A - Silicon purification method and apparatus - Google Patents

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Abstract

クロロシラン(主に:トリクロロシラン)の製造のためおよびこれらのクロロシランからの高純度ポリシリコンの堆積のための方法および関係する材料。クロロシラン製造のためのソースは共晶または亜共晶の銅−シリコンであり、前記銅−シリコンの濃度範囲は10ないし16wt%シリコンである。共晶または亜共晶の銅−シリコンは、塩素処理反応器に好適な形状に鋳造され、そこで、少なくとも部分的にHClからなるプロセスガスに曝される。このガスは共晶または亜共晶の銅−シリコンの表面で反応してシリコンを揮発性クロロシランの形態で抽出する。貧化した共晶または亜共晶の材料はその後リサイクルすることができ、抽出された量のシリコンが補充され、この材料は所望の形状へ再鋳造される。
【選択図】 図1
Methods and related materials for the production of chlorosilanes (mainly: trichlorosilane) and for the deposition of high purity polysilicon from these chlorosilanes. The source for chlorosilane production is eutectic or hypoeutectic copper-silicon, and the copper-silicon concentration range is 10 to 16 wt% silicon. The eutectic or hypoeutectic copper-silicon is cast into a shape suitable for a chlorination reactor where it is exposed to a process gas consisting at least in part of HCl. This gas reacts on the surface of eutectic or hypoeutectic copper-silicon to extract silicon in the form of volatile chlorosilanes. The deteriorated eutectic or hypoeutectic material can then be recycled, replenished with the extracted amount of silicon, and recast into the desired shape.
[Selection] Figure 1

Description

発明の分野
本発明はシリコン精製のための方法および装置に関する。特に、本発明はクロロシランの生成のためおよび高純度シリコンの堆積のための方法および装置に関する。
The present invention relates to a method and apparatus for silicon purification. In particular, the present invention relates to a method and apparatus for the production of chlorosilanes and for the deposition of high purity silicon.

発明の背景
金属グレードシリコンは、これを光電子または半導体用途に使用しうる前の精製が必要である。通常、このプロセスは、連続的に行われる複数の工程で実施される:第1の工程では、クロロシランまたはモノシラン、たとえばTCS(トリクロロシランSiHCl3)、STC(四塩化ケイ素SiCl4)、ジクロロシランSiH2Cl2、またはモノシランSiH4を、通常、たとえば米国特許出願公開第2007/0086936 A1号公報に記載されているような、ある種類の流動床反応器において製造する。次の工程では、生成物ガスを捕捉して、部分蒸留によって精製し、気体状の金属塩化物、BCl3、PCl3、CH4などを除去する。次に、高純度クロロシランをいわゆるシーメンス法のためのプロセスガスとして使用し、ここではシランが反応してシリコンおよび種々のガス種となる。シーメンス法は開ループ系であり、このプロセスはプロセスガスを連続的に供給しなければならないし、排気ガスを連続的に補足しかつ特別な手段で処理しなければならない。これは、排気ガス処理に関するインフラストラクチャ、ロジスティックスおよび労力に関して、シーメンス法を幾分か費用のかかるものにする。シーメンス法の例は、米国特許第2,999,735号;第3,011,877号;および第6,221,155号、ならびに種々の教科書(たとえば、A. LuqueおよびS. Hegedus (Eds.): “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-471-49196-9)に示されている。
BACKGROUND OF THE INVENTION Metal grade silicon requires prior purification before it can be used in optoelectronic or semiconductor applications. Usually, this process is carried out in several steps which are carried out in succession: In the first step, chlorosilane or monosilane, such as TCS (trichlorosilane SiHCl3), STC (silicon tetrachloride SiCl4), dichlorosilane SiH2Cl2, or Monosilane SiH4 is typically produced in a type of fluidized bed reactor, as described, for example, in US Patent Application Publication No. 2007/0086936 A1. In the next step, the product gas is captured and purified by partial distillation to remove gaseous metal chlorides, BCl3, PCl3, CH4, and the like. High purity chlorosilane is then used as a process gas for the so-called Siemens process, where the silane reacts into silicon and various gas species. The Siemens process is an open loop system, and the process must be continuously supplied with process gas, exhaust gas must be continuously supplemented and treated by special means. This makes the Siemens process somewhat expensive with regard to infrastructure, logistics and labor for exhaust gas treatment. Examples of Siemens methods include US Pat. Nos. 2,999,735; 3,011,877; and 6,221,155, and various textbooks (eg, A. Luque and S. Hegedus (Eds.): “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-471-49196-9).

他の知られているアプローチは、金属シリコンの化学処理、たとえばエッチングおよび浸出を使用し、これを、金属不純物を除去するためおよび電気的に活性な元素、たとえばリンおよびホウ素の濃度を下げるための1回または複数回の固化サイクルと併用する。最終製品、すなわちアップグレードされた金属シリコン(umg−Si)は光電池用途に好適であるが、依然として多少高い濃度の不純物を含んでいる。   Another known approach uses chemical treatment of metal silicon, such as etching and leaching, to remove metal impurities and to reduce the concentration of electrically active elements such as phosphorus and boron. Use with one or more solidification cycles. The final product, upgraded metal silicon (umg-Si) is suitable for photovoltaic applications, but still contains a somewhat higher concentration of impurities.

シリコンを他の金属と共に鋳造することは、米国特許第4,312,848号での、mg−Siの前処理のための知られている技術であり、この場合、アルミニウムをシリコンに対する溶媒として使用する。   Casting silicon with other metals is a known technique for pretreatment of mg-Si in US Pat. No. 4,312,848, where aluminum is used as a solvent for silicon.

クロロシランの製造のためのソース材料としての銅−シリコンについて>20wt%のシリコン濃度を使用することは、Olsonによって米国特許第4,481,232号に記載されている。Olsonでは、材料は単一チャンバのコンパートメント内に設置された。銅は、クロロシラン生成の生産性を向上させるための触媒として働くだけでなく、金属不純物のゲッター物質としても働くことが知られている。Olsonの特許では、ケイ化銅は加熱黒鉛フィラメントの直近に設置される。ガスの移動は、熱いフィラメントと相対的に冷たいチャンバの壁との間の温度差によって生じる自然対流によって起こる。一般に、単一チャンバの配置はいくつかの問題を起こしうる。たとえば、米国特許第4,481,232号に記載された方法では、限られた量のケイ化銅しかチャンバ内に装入することができず、合金はそのフィラメントへの近接のせいで間接的に加熱される。それゆえに、合金の温度は、適切に制御することができず、気体状シリコンの製造の最適温度範囲を超えて増加するであろう。当業者は、高すぎる温度は、銅−シリコン合金中にまたは銅自体の中に捕捉された金属不純物を動かすであろうし、その結果精製したシリコン中の金属不純物の濃度を高めるであろうということを認識するであろう。特に水素の存在下では、高過ぎる反応温度は、気体状のクロロシランの代わりに固体シリコンの方向へ化学平衡をシフトさせるであろうし、それにより生産性を下げることがさらに認められるであろう。また、単一チャンバの構成は、堆積させるシリコンの純度に悪影響を与えるであろう揮発性不純物および粒子の適切な抑制にも欠如している。微量の銅でさえ半導体または太陽電池用途でのシリコンの使用に非常に不都合であることは、シリコン産業において周知されている。   The use of> 20 wt% silicon concentration for copper-silicon as the source material for the production of chlorosilane is described by Olson in US Pat. No. 4,481,232. In Olson, the material was placed in a single chamber compartment. Copper is known not only to act as a catalyst for improving the productivity of chlorosilane production, but also as a getter material for metal impurities. In the Olson patent, copper silicide is placed in the immediate vicinity of the heated graphite filament. The movement of the gas occurs by natural convection caused by the temperature difference between the hot filament and the relatively cool chamber wall. In general, the placement of a single chamber can cause several problems. For example, in the method described in US Pat. No. 4,481,232, only a limited amount of copper silicide can be charged into the chamber, and the alloy is heated indirectly due to its proximity to the filament. . Therefore, the temperature of the alloy cannot be properly controlled and will increase beyond the optimum temperature range for the production of gaseous silicon. Those skilled in the art will note that a temperature that is too high will move the metal impurities trapped in the copper-silicon alloy or in the copper itself, thereby increasing the concentration of metal impurities in the purified silicon. Will recognize. It will be further appreciated that in the presence of hydrogen, too high a reaction temperature will shift the chemical equilibrium towards solid silicon instead of gaseous chlorosilane, thereby reducing productivity. The single chamber configuration also lacks adequate suppression of volatile impurities and particles that would adversely affect the purity of the deposited silicon. It is well known in the silicon industry that even trace amounts of copper are very inconvenient for the use of silicon in semiconductor or solar cell applications.

そのため、米国特許第4,481,232号に開示された単一チャンバの配置は、実験室規模の用途にのみ適しており、スケールアップには最適でないであろう。Olsonによって提案された高濃度(たとえば20−30wt%シリコン)の銅−シリコン合金の重大な欠点は、この合金が大気に曝されると酸化する傾向があり、塩素処理の間、それが膨潤し崩壊するということにある。後者は、共晶の銅−シリコン合金中に散在した相当多量のシリコン晶子および関連するクラックによって生じうる。   As such, the single chamber arrangement disclosed in US Pat. No. 4,481,232 is only suitable for laboratory scale applications and may not be optimal for scale up. A significant disadvantage of the high concentration (eg 20-30 wt% silicon) copper-silicon alloy proposed by Olson is that the alloy tends to oxidize when exposed to the atmosphere, which swells during chlorination. It is to collapse. The latter can be caused by a substantial amount of silicon crystallites and associated cracks scattered in the eutectic copper-silicon alloy.

高純度シリコンは、太陽電池の使用および半導体デバイスの製造などの、電子産業におけるいかなる用途にも必要とされる。どの電子用途に必要な純度レベルも、いわゆる金属グレードシリコン(m.g.シリコン)によって提供されるものより著しく高い。そのため、複雑かつ費用のかかる精製工程が必要となる。これは、m.g.シリコンを単純化された方法で精製するために、費用対効果およびエネルギー効率がより高いプロセスの強い必要性をもたらす。   High purity silicon is required for any application in the electronics industry, such as the use of solar cells and the manufacture of semiconductor devices. The purity level required for any electronic application is significantly higher than that provided by so-called metal grade silicon (m.g. silicon). This requires a complicated and expensive purification process. This leads to a strong need for a more cost effective and energy efficient process for purifying mg silicon in a simplified manner.

一般に、シリコンの精製のための2つのアプローチ、化学パスおよび冶金学パスが有名である。化学精製の場合、m.g.シリコンを、クロロシランの形態で気相へ移し、その後、化学気相堆積(CVD)プロセスの形態で堆積させる(たとえば、従来のシーメンス法などのトリクロロシランの使用(たとえば米国特許第2,999,735号;第3,011,877号;第3,979,490号;および第6,221,155号を参照のこと)またはシランの使用(たとえば第4,444,811号および第4,676,967号を参照のこと))。この場合、第1の工程は、流動床反応器での小さなサイズの(顆粒状の/粉砕された)シリコン粒子からのクロロシランの形成、および結果としての気体種の蒸留である。シリコンはプロセスガスに完全に曝される小さな粒子の形態で使用されるので、不純物(金属不純物、ホウ素、リンなど)も気相となることがあり、それゆえに、シリコン堆積のために、またはシランの製造のための水素化などの他の化学的処理のためにクロロシランが使用されうる前に、これらを蒸留によって除去しなければならない。   In general, two approaches for the purification of silicon are well known: the chemical path and the metallurgical path. In the case of chemical purification, m.g. silicon is transferred to the gas phase in the form of chlorosilane and then deposited in the form of a chemical vapor deposition (CVD) process (e.g., the use of trichlorosilane such as the conventional Siemens method ( See, e.g., U.S. Pat. Nos. 2,999,735; 3,011,877; 3,979,490; and 6,221,155) or the use of silanes (see, e.g., 4,444,811 and 4,676,967)). In this case, the first step is the formation of chlorosilanes from small size (granulated / milled) silicon particles in a fluid bed reactor and the resulting distillation of gaseous species. Since silicon is used in the form of small particles that are completely exposed to the process gas, impurities (metal impurities, boron, phosphorus, etc.) can also be in the gas phase, and therefore for silicon deposition or silane Before chlorosilanes can be used for other chemical treatments such as hydrogenation for the production of these, they must be removed by distillation.

冶金学的アプローチは、単にシリコンとして(およびたとえばWO/2008/031,229 A1に開示されているように、分離および酸化による不純物の除去)かまたはm.g.シリコンと金属(たとえばアルミニウム)との合金としてのm.g.シリコンの鋳造を必要とする。後者の場合、前記金属は不純物のためのキャッチャー/ゲッターとして働くが、精製したシリコンを鋳造してインゴットにする前に、それを湿式化学的に浸出させなければならない。また、冶金学的アプローチは、化学パスよりも著しく低い純度レベルをもたらしうる。   The metallurgical approach is either simply as silicon (and removal of impurities by separation and oxidation, as disclosed for example in WO / 2008 / 031,229 A1) or an alloy of mg and silicon (eg aluminum) Requires the casting of mg silicon as In the latter case, the metal acts as a catcher / getter for impurities, but before the purified silicon is cast into an ingot, it must be wet-chemically leached. The metallurgical approach can also result in significantly lower purity levels than the chemical path.

化学パスの主な欠点は、実際には、クロロシラン生成の間、m.g.シリコンの小さなサイズの粒子のストックが、反応のための大きなシリコン表面を提供するのに必要とされることである。さらに、望ましくない高圧および/または高温が、m.g.シリコンとプロセスガス(HCl、またはHCl、H2混合物)との間の反応を進めておくのに必要とされる。これは、クロロシラン流中の高い不純物(金属塩化物、BCl3、PCl3、CH4など)濃度をもたらしうるものであり、これは蒸留による徹底的な精製を必要としうる。   The main drawback of the chemical path is that during chlorosilane production, in fact, a stock of small sized particles of mg silicon is required to provide a large silicon surface for the reaction. . Furthermore, undesirably high pressures and / or high temperatures are required to keep the reaction between mg silicon and the process gas (HCl, or HCl, H2 mixture) proceeding. This can lead to high impurity (metal chloride, BCl3, PCl3, CH4, etc.) concentrations in the chlorosilane stream, which can require thorough purification by distillation.

銅などの金属は、必要とされる温度を下げかつ収率を高めるので、シリコンとHClとの間の反応のための触媒として働くことが知られている(たとえば、米国特許第2009/0060818 A1)。触媒として使用する場合、銅(またはどちらかといえば塩化銅の形態にある銅)をm.g.シリコン粒子と接触させ、それによりHClとのそれらの反応性を高める。この用途の場合、銅などの金属は別体のm.g.シリコンストックのための触媒としてのみ使用されるので、適用される金属/銅触媒の濃度は、より低いパーセントまたはパーミルの範囲内にある。この範囲の場合、銅などの金属は、m.g.シリコンストックからの不純物の精製またはゲッタリング(すなわち濾過)に関する機能を持たない。   Metals such as copper are known to act as catalysts for the reaction between silicon and HCl because they lower the required temperature and increase the yield (eg, US Pat. No. 2009/0060818 A1). ). When used as a catalyst, copper (or rather copper in the form of copper chloride) is contacted with mg silicon particles, thereby increasing their reactivity with HCl. For this application, metals such as copper are only used as catalysts for separate mg silicon stock, so the concentration of applied metal / copper catalyst should be in the lower percent or permill range. is there. In this range, metals such as copper have no function for the purification or gettering (ie filtration) of impurities from mg silicon stock.

m.g.シリコンの精製のための銅−シリコン合金の使用が、Jerry Olson(米国特許第4.481.232;R.C. Powell, J.M. Olson, J. of Crystal Growth 70 (1984) 218; P. Tejedor, J.M. Olson, J. of Crystal Growth 94 (1989)579; P. Tejedor, J.M. Olson, J. of Crystal Growth 89 (1988) 220も参照のこと)によって提案された。Olsonは、20wt%Siより大きな(たとえば20−30wt%)銅−シリコンピースを鋳造し、彼はこれを加熱したシリコンフィラメントの直近に設置した。入れられたプロセスガス(HCl−H2混合物)は合金からシリコンをクロロシランの形態で抽出し、Olsonは精製したシリコンをシリコンフィラメント上に堆積させることができた。シリコンの抽出は、400ないし750℃の温度範囲で行われた。金属シリコン合金を使用する場合、合金材料16中に晶子が存在すると(たとえば、合金材料中に2つの相が存在する場合)、精製プロセスの内側および外側の両方での合金材料の不安定性などの重要な作業上欠点に遭遇しうることが認められるべきである。   The use of a copper-silicon alloy for the purification of mg silicon is described by Jerry Olson (US Pat. No. 4.481.232; RC Powell, JM Olson, J. of Crystal Growth 70 (1984) 218; P. Tejedor, JM Olson, J. of Crystal Growth 94 (1989) 579; see also P. Tejedor, JM Olson, J. of Crystal Growth 89 (1988) 220). Olson cast a copper-silicon piece larger than 20 wt% Si (eg, 20-30 wt%), which he placed in close proximity to the heated silicon filament. The entrained process gas (HCl-H2 mixture) extracted silicon from the alloy in the form of chlorosilane, and Olson was able to deposit purified silicon on the silicon filament. Silicon extraction was performed in the temperature range of 400-750 ° C. When using a metal silicon alloy, the presence of crystallites in the alloy material 16 (eg, when there are two phases in the alloy material), such as instability of the alloy material both inside and outside the refining process, etc. It should be appreciated that significant operational deficiencies can be encountered.

発明の概要
本発明の目的は、上に示した欠点のうち少なくとも1つを防ぐおよび/または緩和するための、低純度シリコンソースからの蒸気堆積搬送ガス(vapour deposition transport gas)の製造、前記低純度リシコンの精製、および/または結果としての高純度シリコンの製造用のシステム、方法および/または材料を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to produce a vapor deposition transport gas from a low purity silicon source to prevent and / or mitigate at least one of the disadvantages indicated above, said low It is to provide a system, method and / or material for the purification of pure silicon and / or the production of the resulting high purity silicon.

本発明は、高純度シリコンの製造方法であって、シリコン−金属合金およびシリコンを運ぶことができるガスソースを収容するように構成された第1のチャンバ(塩素処理チャンバ)と、第1のチャンバに流体接続されており、堆積によってシリコンを受け取るように構成された少なくとも1つのフィラメントを含み、そこで、シリコンの堆積によって、第2のガス混合物が形成される第2のチャンバ(堆積チャンバ)とを具備する装置を使用する方法を提供する。第1のガス流路は、シリコンを運ぶガスを塩素処理チャンバから堆積チャンバへ通すように構成されており、第2のガス流路は、第2のガス混合物を堆積チャンバから塩素処理チャンバへ通すように構成されている。第2のガス混合物は、塩素処理チャンバに収容された際に、シリコンの塩素処理のためのガスソースとして働くことができる。   The present invention is a method for producing high-purity silicon, comprising a first chamber (chlorination chamber) configured to contain a gas source capable of carrying a silicon-metal alloy and silicon, and a first chamber A second chamber (deposition chamber) in which a second gas mixture is formed by the deposition of silicon, wherein the at least one filament is configured to receive silicon by deposition. A method of using the apparatus is provided. The first gas flow path is configured to pass a gas carrying silicon from the chlorination chamber to the deposition chamber, and the second gas flow path passes a second gas mixture from the deposition chamber to the chlorination chamber. It is configured as follows. The second gas mixture can serve as a gas source for chlorination of silicon when contained in the chlorination chamber.

他の側面では、本発明は、流体接続された塩素処理チャンバおよび堆積チャンバを有する装置を使用する高純度シリコンの製造方法であって、(i)塩素処理チャンバにおいてシリコンのソースを提供するのに適したシリコン−金属合金を提供する工程と、(ii)水素および塩素のソースを含む初期の第1のガス混合物を提供する工程と、(iii)塩素処理チャンバ内で、前記シリコン−金属合金と前記第1のガス混合物とが反応して1種以上のクロロシランのうちの少なくとも1種を含むシリコンソースガスを形成する温度まで、前記シリコン−金属合金を積極的に加熱する工程と、(iv)堆積チャンバ内に、シリコンをそこで受け取るように構成された少なくとも1つのフィラメントを提供する工程と、(v)前記シリコンソースガスが前記少なくとも1つのフィラメントの表面上にシリコンを堆積させかつ塩素のソースを含む第2のガス混合物を製造する温度まで、前記少なくとも1つのフィラメントを加熱する工程と、(vi)第2のガス混合物を塩素処理チャンバに戻して、これを前記シリコン合金と反応するガス混合物として働かせる工程と、(vii)工程iii)およびvi)を十分なシリコンが堆積するまで繰り返す工程とを含む方法を提供する。   In another aspect, the present invention is a method of producing high purity silicon using an apparatus having a fluidly connected chlorination chamber and a deposition chamber, comprising: (i) providing a source of silicon in the chlorination chamber. Providing a suitable silicon-metal alloy; (ii) providing an initial first gas mixture comprising a source of hydrogen and chlorine; and (iii) in a chlorination chamber, the silicon-metal alloy; Actively heating the silicon-metal alloy to a temperature at which the first gas mixture reacts to form a silicon source gas containing at least one of one or more chlorosilanes; and (iv) Providing at least one filament in the deposition chamber configured to receive silicon therein; (v) the silicon source gas Heating said at least one filament to a temperature at which silicon is deposited on the surface of said at least one filament and producing a second gas mixture comprising a source of chlorine; (vi) a second gas mixture; There is provided a method comprising returning to a chlorination chamber to act as a gas mixture that reacts with the silicon alloy and (vii) repeating steps iii) and vi) until sufficient silicon is deposited.

さらなる実施形態では、本発明は、流体接続された塩素処理チャンバおよび堆積チャンバを有する装置を使用する高純度シリコンの製造方法であって、(i)塩素処理チャンバにおいてシリコンのソースを提供するのに適したシリコン−金属合金を提供する工程と、(ii)H2、HClおよびクロロシランの混合物からなり、シリコンを運ぶための化学蒸気搬送ガスを提供できる初期の第1のガス混合物を提供する工程と、(iii)前記初期のガスソースを前記シリコン−金属合金に反応させて気体状のシリコンソースを含むプロセスガスを製造するのに十分な温度まで、塩素処理チャンバ内で前記シリコン−金属合金を積極的に加熱する工程と、(iv)シリコンをそこで受け取るように構成された少なくとも1つのフィラメントを堆積チャンバ内に提供する工程と、(v)前記気体状のシリコンを前記少なくとも1つのフィラメントの表面上に堆積させかつシリコンを運ぶための化学蒸気搬送ガスを提供できる第2のプロセスガスソースを製造する温度まで、前記少なくとも1つのフィラメントを加熱する工程と、(vi)第2のプロセスガスソースを塩素処理チャンバに戻して、これを前記シリコン合金と反応するガスソースとして働かせる工程と、(vii)工程iii)およびvi)を十分なシリコンが前記少なくとも1つのフィラメント上に堆積するまで繰り返す工程とを含む方法を提供する。   In a further embodiment, the present invention is a method of producing high purity silicon using an apparatus having a fluidly connected chlorination chamber and a deposition chamber, comprising: (i) providing a source of silicon in the chlorination chamber. Providing a suitable silicon-metal alloy; (ii) providing an initial first gas mixture comprising a mixture of H2, HCl and chlorosilane, which can provide a chemical vapor carrier gas for carrying silicon; (Iii) actively reacting the silicon-metal alloy in a chlorination chamber to a temperature sufficient to cause the initial gas source to react with the silicon-metal alloy to produce a process gas containing a gaseous silicon source. And (iv) depositing at least one filament configured to receive silicon therein; And (v) producing a second process gas source capable of depositing the gaseous silicon on the surface of the at least one filament and providing a chemical vapor carrier gas for carrying the silicon. Heating the at least one filament to a temperature; (vi) returning a second process gas source to the chlorination chamber to serve as a gas source that reacts with the silicon alloy; and (vii) repeating steps iii) and vi) until sufficient silicon is deposited on the at least one filament.

複雑かつ費用のかかる精製工程が、今日の高純度シリコン精製プロセスでは必要とされうる。今日のプロセスの他の欠点は、化学蒸気(chemical vapour)中の高い不純物濃度であり、これは蒸留による徹底的な精製を必要としうる。過共晶合金は従来技術のプロセスにあったが、精製プロセスの内側および外側の両方での合金材料の不安定性などの重要な作業上欠点があった。この精製システムおよび方法と対照的に、シリコンの精製方法であって:それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料と注入ガスを反応させることと;前記金属シリコン合金材料の原子マトリックスから得られるシリコンを含む化学蒸気搬送ガスを生成させることと;シリコン堆積を促進するように構成されたフィラメントに前記蒸気搬送ガスを流すことと;精製された形態でシリコンを前記化学蒸気搬送ガスから前記フィラメント上に堆積させることとを含む方法が提供される。   Complex and expensive purification steps may be required in today's high purity silicon purification processes. Another drawback of today's process is the high impurity concentration in the chemical vapor, which may require thorough purification by distillation. Although hypereutectic alloys have been in the prior art process, there have been significant operational disadvantages such as instability of the alloy material both inside and outside the refining process. In contrast to this purification system and method, a method for purifying silicon comprising: reacting an injection gas with a metal silicon alloy material having a silicon weight percent less than or equal to the silicon eutectic weight percent defined for each metal silicon alloy Generating a chemical vapor carrier gas comprising silicon obtained from an atomic matrix of the metal silicon alloy material; flowing the vapor carrier gas through a filament configured to promote silicon deposition; Depositing silicon on the filaments from the chemical vapor carrier gas in a configured form.

提供されるさらなる態様は、シリコンを精製する方法であって:それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料と注入ガスを反応させることと;前記金属シリコン合金材料の原子マトリックスから得られたシリコンを含む化学蒸気搬送ガスを生成させることと;シリコン堆積を促進するように構成されたフィラメントに前記蒸気搬送ガスを流すことと;前記化学蒸気搬送ガスから前記フィラメント上に精製された形態でシリコンを堆積させることとを含む方法である。   A further aspect provided is a method for purifying silicon, comprising reacting an implantation gas with a metal silicon alloy material having a silicon weight percent less than or equal to the silicon eutectic weight percent defined for each metal silicon alloy. Generating a chemical vapor carrier gas comprising silicon obtained from an atomic matrix of the metal silicon alloy material; flowing the vapor carrier gas through a filament configured to promote silicon deposition; Depositing silicon in purified form on the filament from a carrier gas.

さらなる態様は、化学気相堆積(CVP)プロセスでの使用のためのそれぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの選択された共晶重量パーセントにあるシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料であって、前記合金材料中のシリコン晶子の存在が定義された最大晶子閾値以下である材料である。   A further aspect is a metal silicon alloy material having a silicon weight percent that is at a selected eutectic weight percent of silicon defined for each metal silicon alloy for use in a chemical vapor deposition (CVP) process. , A material in which the presence of silicon crystallites in the alloy material is below a defined maximum crystallite threshold.

さらなる態様は、化学気相堆積(CVP)プロセスでの使用のためのそれぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下にあるシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料である。   A further aspect is a metal silicon alloy material having a silicon weight percent that is less than or equal to the silicon eutectic weight percent defined for each metal silicon alloy for use in a chemical vapor deposition (CVP) process.

さらなる態様は、シリコンの精製装置であって:それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料と注入ガスを反応させるため、および前記金属シリコン合金材料の原子マトリックスから得られるシリコンを含む化学蒸気搬送ガスを生成させるための第1の反応器と;シリコン堆積を促進するように構成されたフィラメントに前記蒸気搬送ガスを流すための出口と、精製された形態でシリコンを化学蒸気搬送ガスからフィラメント上へ堆積させるための第2の反応器とを具備する装置である。   A further aspect is an apparatus for purifying silicon comprising: reacting an injected gas with a metal silicon alloy material having a silicon weight percent less than or equal to the eutectic weight percent of silicon defined for each metal silicon alloy, and said metal silicon A first reactor for generating a chemical vapor carrier gas comprising silicon derived from an atomic matrix of alloy material; an outlet for flowing the vapor carrier gas through a filament configured to promote silicon deposition; And a second reactor for depositing silicon from a chemical vapor carrier gas onto the filaments in a purified form.

さらなる態様は、化学気相堆積(CVP)プロセスでの使用のためのそれぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの選択された共晶重量パーセントにあるシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料であって、前記合金材料中のシリコン晶子の存在が定義された最大晶子閾値以下である材料である。   A further aspect is a metal silicon alloy material having a silicon weight percent that is at a selected eutectic weight percent of silicon defined for each metal silicon alloy for use in a chemical vapor deposition (CVP) process. , A material in which the presence of silicon crystallites in the alloy material is below a defined maximum crystallite threshold.

さらなる態様は、化学気相堆積(CVP)プロセスでの使用のためのそれぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下にあるシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料である。   A further aspect is a metal silicon alloy material having a silicon weight percent that is less than or equal to the silicon eutectic weight percent defined for each metal silicon alloy for use in a chemical vapor deposition (CVP) process.

銅−シリコン化合物を使用して、銅の触媒性質を利用しかつ金属−シリコンマトリックスを使用して不純物を制御する/ゲッタリングすることが1つの目的である。   One objective is to use copper-silicon compounds to take advantage of the catalytic properties of copper and to control / getter impurities using a metal-silicon matrix.

たとえば光電池用途用の原料としての使用のための高純度シリコンを製造するように、低純度グレードのm.g.シリコンを精製することが、もう1つの目的である。   For example, low purity grade m.p. so as to produce high purity silicon for use as a raw material for photovoltaic applications. g. Another purpose is to purify the silicon.

目的のさらなる例は:塩化処理反応器での使用のための銅−シリコンソースの製造であって、(1)鋳造の間の微小なクラックの形成を抑え、(2)所望の保管寿命を有し、重大な酸化を抑え、(3)塩化処理反応器内での使用の間の膨潤/膨張を抑え、(4)塩化処理反応器内での使用の間のダストまたは粉末の放出を抑え、(5)選択された抵抗率閾値を上回る高純度シリコンの製造をもたらし、および/または(6)管理することができ、シリコンが著しく貧化した場合には再び溶解/鋳造(すなわちリサイクル)できる製造である。   Further examples of purposes are: the production of copper-silicon sources for use in chlorination reactors, which (1) suppresses the formation of microcracks during casting and (2) has a desired shelf life. Suppresses significant oxidation, (3) suppresses swelling / expansion during use in the chlorination reactor, (4) suppresses dust or powder emissions during use in the chlorination reactor, (5) production of high purity silicon that exceeds a selected resistivity threshold and / or (6) production that can be controlled and remelted / cast (ie recycled) if the silicon becomes significantly poor It is.

ここで、以下の図面を参照しながら本発明をさらに詳細に説明する。   The present invention will now be described in more detail with reference to the following drawings.

図1は、閉ループ配置でのクロロシランの生成および高純度シリコンの堆積のための本発明による装置を示す概略断面図であって、2つのチャンバが完全に独立しており、配管系によって接続されている。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an apparatus according to the present invention for the production of chlorosilane and the deposition of high purity silicon in a closed loop configuration, wherein the two chambers are completely independent and connected by a piping system. Yes. 図2は、閉ループ配置でのクロロシランの生成および高純度シリコンの堆積のための本発明による装置を示す概略断面図であって、ここでは、2つのチャンバは取り付けられているが中板によって隔てられている。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an apparatus according to the present invention for the production of chlorosilane and the deposition of high purity silicon in a closed loop configuration, in which two chambers are mounted but separated by an intermediate plate ing. 図3は、図1の装置および方法の一例としての、合金材料を使用する一般的な精製プロセスおよび装置を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a typical refining process and apparatus using an alloy material as an example of the apparatus and method of FIG. 図4は、図3の合金材料についての相図の一例である。FIG. 4 is an example of a phase diagram for the alloy material of FIG. 図5は、図3の合金材料のマトリックスの一例である。FIG. 5 is an example of a matrix of the alloy material of FIG. 図6は、図3の装置のための金属合金材料の共晶の性質の代わりの実施形態である。FIG. 6 is an alternative embodiment of the eutectic nature of the metal alloy material for the apparatus of FIG. 図7aは、図3の装置に望まれない合金材料の過共晶の性質を示している。FIG. 7a shows the hypereutectic nature of the alloy material that is not desired in the apparatus of FIG. 図7bは、図3の装置での使用後の図8aの合金材料の一例の結果を示している。FIG. 7b shows the result of an example of the alloy material of FIG. 8a after use in the apparatus of FIG. 図8は、図7aの過共晶合金の酸化挙動に対する、銅−シリコン共晶合金材料の酸化挙動を示している。FIG. 8 shows the oxidation behavior of the copper-silicon eutectic alloy material relative to the oxidation behavior of the hypereutectic alloy of FIG. 7a. 図9aは、図5の合金材料のさらなる実施形態である。FIG. 9a is a further embodiment of the alloy material of FIG. 図9bは、図3の装置の蒸気生成プロセスで貧化した後のシリコン含有物を示している。FIG. 9b shows the silicon content after being degraded in the steam generation process of the apparatus of FIG. 図10は、図3の化学蒸気製造および堆積プロセスの一例の方法についてのブロック図である。FIG. 10 is a block diagram for an example method of the chemical vapor production and deposition process of FIG. 図11は、図3の化学蒸気製造プロセスの一例についてのブロック図である。FIG. 11 is a block diagram of an example of the chemical vapor production process of FIG. 図12は、図3の合金材料のための鋳造装置の一例である。FIG. 12 is an example of a casting apparatus for the alloy material of FIG. 図13は、図12の装置を使用する鋳造プロセスの一例についてのブロック図である。FIG. 13 is a block diagram for an example of a casting process using the apparatus of FIG. 図14aは、図3の装置で使用する共晶または亜共晶の合金材料から得られる堆積シリコンの厚さを通して測定した抵抗率の図である。FIG. 14a is a resistivity diagram measured through the thickness of deposited silicon obtained from the eutectic or hypoeutectic alloy material used in the apparatus of FIG. 図14bは、図3の装置で使用する共晶または亜共晶の合金材料から得られる堆積シリコンの厚さを通して測定した抵抗率の図である。FIG. 14b is a resistivity diagram measured through the thickness of deposited silicon obtained from the eutectic or hypoeutectic alloy material used in the apparatus of FIG.

好ましい実施形態についての詳細な説明
Olsonによって提案された銅−シリコン合金の重大な欠点は合金が過共晶であるらしいことであることが認められ、出願人は、過共晶が、大気に曝される際に酸化する傾向を示すことと、それが塩素処理プロセスの間に膨潤して崩壊することとを確かめた。後者は、合金材料中の銅−シリコン共晶マトリックスに散在した相当多量のシリコン晶子および関連するクラックの存在によって生じうる。
Detailed Description of the Preferred Embodiment
It has been recognized that a significant disadvantage of the copper-silicon alloy proposed by Olson is that the alloy appears to be hypereutectic, and applicants have found that the hypereutectic tends to oxidize when exposed to the atmosphere. It has been shown and confirmed that it swells and collapses during the chlorination process. The latter can be caused by the presence of a significant amount of silicon crystallites and associated cracks interspersed in the copper-silicon eutectic matrix in the alloy material.

以下の説明では、多くの用語を広範にわたって使用しているが、本発明の種々の態様の理解を促進するために、以下の定義を提供する。明細書における例、たとえば用語の例の使用は、単に例示を目的としているだけであり、ここでは本発明の実施形態の範囲および意味を制限することを意図していない。数値範囲はその範囲を定義する数を含める。明細書では、用語「含んでいる(comprising)」は、非限定的な用語として使用しており、フレーズ「限定はされないが、〜を含んでいる(including, but not limited to)」と実質的に等価であり、用語「含む(comprise)」は対応する意味を有する。さらに、実例によって示すような特定の手法は、圧力、温度、および/または合金材料16中のシリコン含有量のパーセントを制御することをおおよそ目的にしうることが認められる。規定された特定の手段における僅かな変更は、このような相違の影響がプロセス9、11および/または合金材料16の晶子120含有量にとって僅かであるのならば受入れられる。たとえば、おおよその温度は、上下数度の温度のばらつきを意味しうる。たとえば、おおよそのシリコン重量パーセントは、特定の重量パーセントの測定値の0.01−0.2の範囲内にある上下を意味しうる。   In the following description, many terms are used extensively, but the following definitions are provided to facilitate an understanding of the various aspects of the present invention. The use of examples in the specification, for example terminology, is for illustrative purposes only and is not intended to limit the scope and meaning of embodiments of the invention herein. Numeric ranges are inclusive of the numbers defining the range. In the specification, the term “comprising” is used as a non-limiting term and is substantially equivalent to the phrase “including, but not limited to”. The term “comprise” has a corresponding meaning. Furthermore, it will be appreciated that certain approaches, such as illustrated by example, can generally be aimed at controlling pressure, temperature, and / or percent silicon content in the alloy material 16. Minor changes in the specific means specified are acceptable if the effect of such differences is insignificant for the crystallite 120 content of processes 9, 11 and / or alloy material 16. For example, an approximate temperature can mean a temperature variation of several degrees above and below. For example, an approximate silicon weight percent can mean up and down within a range of 0.01-0.2 of a particular weight percent measurement.

本発明は、再循環する閉ループ系での、シリコンの精製、クロロシランの製造、および高純度シリコンの堆積を可能にする。プロセスの始めには、チャンバをH2およびHClの混合物で充填する。2種類のガスの比は、1:9ないし9:1の範囲内および好ましくは1:2ないし2:1の範囲内にある。次に、プロセスガスをチャンバ間で循環させ、低純度シリコンをシリコン−金属合金の形態で中に設置する一方のチャンバ(ここでは塩素処理チャンバと呼ばれる)においてクロロシランを生じさせ、加熱シリコンフィラメントが設置される他方(ここでは堆積チャンバと呼ばれる)でシリコンが堆積される。ロッドを回収して塩素処理チャンバをしにシリコン金属合金を再装入する際、前記装置の体積と等価な体積を有するガスが除去されかつ処理される。それを、直接再使用するために別のタンクに集めかつ貯蔵してもよいし、または排気ガスとしてさらに処理しかつ無力化(neutralized)してもよい。ここでの用語クロロシランの使用は、シリコンに結合した1個以上の塩素原子を有するあらゆるシラン種のことを言う。生成するクロロシランとしては、限定はされないが、ジクロロシラン(DCS)、トリクロロシラン(TCS)および四塩化ケイ素(STC)が挙げられうる。優先的に、精製シリコンの堆積にはTCSが使用される。   The present invention enables the purification of silicon, the production of chlorosilanes, and the deposition of high purity silicon in a recirculating closed loop system. At the beginning of the process, the chamber is filled with a mixture of H2 and HCl. The ratio of the two gases is in the range of 1: 9 to 9: 1 and preferably in the range of 1: 2 to 2: 1. Next, process gas is circulated between the chambers to produce chlorosilane in one chamber (referred to herein as a chlorination chamber) in which low purity silicon is installed in the form of a silicon-metal alloy, and a heated silicon filament is installed. On the other hand (referred to herein as the deposition chamber), silicon is deposited. When the rod is recovered and the silicon metal alloy is recharged through the chlorination chamber, a gas having a volume equivalent to the volume of the apparatus is removed and processed. It may be collected and stored in a separate tank for direct reuse, or further processed and neutralized as exhaust gas. The use of the term chlorosilane herein refers to any silane species having one or more chlorine atoms bonded to silicon. The chlorosilanes produced can include, but are not limited to, dichlorosilane (DCS), trichlorosilane (TCS), and silicon tetrachloride (STC). Preferentially, TCS is used for the deposition of purified silicon.

本発明は、堆積プロセスからの金属不純物の除去を促進する装置および方法を提供する。特に、本発明は、シリコン−金属合金を使用しかつ高純度シリコンに金属不純物の除去を提供する堆積方法を提供する。金属不純物には、たとえばFe、Ca、Na、NiまたはCrなど、揮発性塩化物を形成しないものがあり、そのため、これらは塩素処理チャンバ内の合金材料12に留まる。多少低い沸点を有する塩化物を形成する他のもの(たとえば、AlまたはTi)は蒸発するが、より好ましくは、堆積領域14において、熱いシリコンフィラメント26上に堆積するよりも冷たい表面上で凝縮する。   The present invention provides an apparatus and method that facilitates the removal of metal impurities from a deposition process. In particular, the present invention provides a deposition method that uses silicon-metal alloys and provides removal of metal impurities in high purity silicon. Some metal impurities do not form volatile chlorides, such as Fe, Ca, Na, Ni or Cr, so they remain in the alloy material 12 in the chlorination chamber. Others that form chlorides with somewhat lower boiling points (eg, Al or Ti) evaporate, but more preferably condense in the deposition region 14 on a colder surface than deposits on the hot silicon filament 26. .

上で述べたように、精製プロセスが行われるチャンバは、ここでは塩素処理チャンバとも呼ばれる。この塩素処理チャンバは、Apparatus for the Production of Chlorosilanesと題された出願人の同時継続出願に記載されたものである。堆積が行われるチャンバは、ここでは堆積チャンバとも呼ばれる。   As mentioned above, the chamber in which the purification process takes place is also referred to herein as a chlorination chamber. This chlorination chamber is that described in Applicant's co-pending application entitled Apparatus for the Production of Chlorosilanes. The chamber in which the deposition takes place is also referred to herein as the deposition chamber.

さらなる態様では、本発明は、高純度シリコンの堆積のための方法であって、クロロシランのプロセスガスソースを連続的に製造するように構成された塩素処理チャンバと、後段のシリコンの堆積のためのプロセスガスソースを収容するように構成された堆積チャンバとを有する方法を提供する。   In a further aspect, the present invention is a method for high purity silicon deposition, comprising a chlorination chamber configured to continuously produce a process gas source of chlorosilane, and a subsequent silicon deposition. And a deposition chamber configured to contain a process gas source.

本発明のさらなる態様では、2つ以上の塩素処理チャンバが1つの堆積チャンバに接続されている。   In a further aspect of the invention, two or more chlorination chambers are connected to one deposition chamber.

本発明のさらなる態様では、2つ以上の堆積チャンバが1つの塩素処理チャンバに接続されている。   In a further aspect of the invention, two or more deposition chambers are connected to one chlorination chamber.

塩素処理チャンバおよび堆積チャンバは、取り付けられているがダイバーターまたはプレートによって隔てられていてもよいし、またはそれらは切り離されていて、配管系によって接続されていてもよい。   The chlorination chamber and the deposition chamber may be attached but separated by a diverter or plate, or they may be disconnected and connected by a piping system.

1つの実施形態では、前記装置の塩素処理チャンバおよび堆積チャンバは、H2およびHC1の初期ソースを収容でき、前記装置は、一度これを収容すれば、この初期ガスソース以外の外部ガス混合物のさらなる追加なしに、クロロシランガスを連続的に生成するように構成されている。   In one embodiment, the chlorination chamber and the deposition chamber of the apparatus can accommodate an initial source of H2 and HC1, and once the apparatus has accommodated it, further addition of an external gas mixture other than the initial gas source Without, it is comprised so that chlorosilane gas may be produced | generated continuously.

もう1つの実施形態では、塩素処理チャンバは、閉ループ装置内からの塩素の気体状のソース(すなわち、堆積プロセスからの排気ガス(主にH2、HCl、TCSおよびSTCからなる混合物))を収容するように構成されており、このガス混合物を使用して、より多量のシリコンをクロロシランの形態にある気相にすることができる。本発明は、シリコンの堆積の間に生じる任意の過剰なSTCを再変換してTCSにする能力を提供する。   In another embodiment, the chlorination chamber contains a gaseous source of chlorine from within the closed loop apparatus (i.e., exhaust gases from the deposition process (a mixture consisting primarily of H2, HCl, TCS and STC)). This gas mixture can be used to make a larger amount of silicon into the gas phase in the form of chlorosilane. The present invention provides the ability to reconvert any excess STC that occurs during silicon deposition into a TCS.

本発明の装置および方法で使用するシリコン−金属合金を形成するために、任意の金属を使用することができ、ただし、前記金属は低い蒸気圧を有し、HClガスおよび水素との限られた反応性を示し、前記金属は堆積チャンバ内の熱いフィラメント上で分解する傾向にある気体種を形成すべきでない。好ましくは、使用する金属は、塩素処理チャンバの動作温度範囲で揮発性の金属塩化物を形成しない。合金を形成する考えられる金属としては、限定はされないが、銅、ニッケル、鉄、銀、白金、パラジウム、クロムまたはこれらの金属の組み合わせが挙げられる。本発明の好ましい実施形態では、前記合金は、シリコン−銅合金である。   Any metal can be used to form the silicon-metal alloy used in the apparatus and method of the present invention, provided that the metal has a low vapor pressure and is limited to HCl gas and hydrogen. It should be reactive and the metal should not form gaseous species that tend to decompose on hot filaments in the deposition chamber. Preferably, the metal used does not form volatile metal chlorides over the operating temperature range of the chlorination chamber. Possible metals that form the alloy include, but are not limited to, copper, nickel, iron, silver, platinum, palladium, chromium, or combinations of these metals. In a preferred embodiment of the present invention, the alloy is a silicon-copper alloy.

シリコン−金属合金は、高い生産性を提供するために少なくとも10%のシリコンを含有すべきであるが、低い生産性を伴うもののそれより低いシリコン濃度も同様に作用する。高い生産性を提供するためおよび選択性を向上させるために、シリコン−金属合金の少なくとも1種の成分は、シリコンの塩酸処理(hydro-chlorination)を触媒すべきである。   Silicon-metal alloys should contain at least 10% silicon to provide high productivity, but lower concentrations of silicon with lower productivity will work as well. In order to provide high productivity and improve selectivity, at least one component of the silicon-metal alloy should catalyze the hydro-chlorination of silicon.

好ましい実施形態では、塩素処理プロセスのために使用する材料は、共晶または亜共晶の銅−シリコンから形成される。共晶および亜共晶の銅−シリコンは、大気に曝された際の酸化に対する低い親和力によって有名である。さらに、塩素処理プロセスの間の膨潤または粉末化は低減される。これは、ガス流における粒子汚染のリスクを下げる。さらに、プロセスガスが材料のバルクへは浸透しない(過共晶の銅−シリコン合金の場合には過共晶材料の深刻な膨潤を原因として起こる)ので、不純物のゲッタリングを向上させる。それゆえに、プロセスガスとの反応はブリックの表面上で起こりえて、元素の早い拡散が表面に達するであろう。シリコンは、銅−シリコン中での(この合金中の不純物のそれに優る)異常に/優先的に高い拡散係数を有し、不純物に対しての優れたフィルタ/ゲッタリング効果を提供できることが知られている。   In a preferred embodiment, the material used for the chlorination process is formed from eutectic or hypoeutectic copper-silicon. Eutectic and hypoeutectic copper-silicon are notable for their low affinity for oxidation when exposed to the atmosphere. Furthermore, swelling or pulverization during the chlorination process is reduced. This reduces the risk of particle contamination in the gas stream. Furthermore, the process gas does not penetrate into the bulk of the material (in the case of a hypereutectic copper-silicon alloy, which occurs due to severe swelling of the hypereutectic material), thus improving impurity gettering. Therefore, reaction with the process gas can occur on the surface of the brick and fast diffusion of the elements will reach the surface. Silicon is known to have an unusually / preferentially high diffusion coefficient in copper-silicon (over that of the impurities in this alloy) and provide an excellent filter / gettering effect on impurities. ing.

使用される合金は、チャンバの容易な装入を可能にしかつ好ましくは大きな表面対体積比を提供する任意の形態、たとえばブリック、プレート、顆粒、大きな塊(chunks)、ペブルまたは任意の他の形状を取りうる。この合金は、鋳造プロセスによって製造されてもよいし、焼結されてもよい。   The alloy used can be any form that allows easy loading of the chamber and preferably provides a large surface to volume ratio, such as bricks, plates, granules, large chunks, pebble or any other shape Can take. This alloy may be produced by a casting process or may be sintered.

本発明は、高純度の、費用対効果のよいシリコンの製造に関する。さらに、本発明は、未精製シリコン、たとえば、限定はされないが、約98ないし99.5%の純度の金属グレードシリコンを、金属不純物に関して6Nより優れた純度を有する高純度シリコンに精製することに関する。本発明は、たとえばウェハ製造用の多結晶または単結晶インゴットを形成するための基礎原料として使用できるソーラーグレードシリコンの精製および製造のためのプロセスおよび装置をさらに提供する。   The present invention relates to the production of high purity, cost effective silicon. Furthermore, the present invention relates to the purification of unpurified silicon, such as, but not limited to, metal grade silicon of about 98 to 99.5% purity to high purity silicon having a purity better than 6N with respect to metal impurities. . The present invention further provides a process and apparatus for the purification and production of solar grade silicon that can be used as a base material for forming, for example, polycrystalline or single crystal ingots for wafer manufacture.

本発明は、シリコンを堆積させるフィラメントの制御とは独立した、シリコンソース、すなわち合金の温度の直接制御を可能にする装置および方法をさらに提供する。   The present invention further provides an apparatus and method that allows direct control of the temperature of the silicon source, ie, the alloy, independent of the control of the filament on which the silicon is deposited.

本発明の塩素処理チャンバは、合金を入れかつここで説明する初期プロセスガスを収容する寸法形状となっている。構造的および機械的な理由を除いては、塩素処理チャンバについての大きさの限定はない。この塩素処理チャンバは、ここで説明するような該塩素処理チャンバを加熱するように構成された加熱システムに接続されているかまたはこれを含むべきであることが理解されるであろう。このチャンバは、円筒形でもよいし、箱型でもよいし、説明するプロセスに適した任意の幾何の形状でもよい。1つの実施形態では、このチャンバは、より容易な排気とより優れた過剰圧力プロパティとを提供する円筒形である。このチャンバは、以下にさらに詳細に説明するように、内部の加熱器によってかまたは該チャンバに接続された外部の加熱器によって加熱されるように構成されている。   The chlorination chamber of the present invention is dimensioned to contain the alloy and contain the initial process gas described herein. There is no size limitation for the chlorination chamber, except for structural and mechanical reasons. It will be appreciated that the chlorination chamber should be connected to or include a heating system configured to heat the chlorination chamber as described herein. The chamber may be cylindrical, box-shaped, or any geometric shape suitable for the process described. In one embodiment, the chamber is cylindrical that provides easier evacuation and better overpressure properties. The chamber is configured to be heated by an internal heater or by an external heater connected to the chamber, as described in more detail below.

このチャンバは、腐食性雰囲気および動作温度の範囲に耐えることができる任意の材料から製造されうる。シリコン−合金を適所に保持するために、装入物キャリアを使用してもよく、この装入物キャリアは、チャンバと同じ雰囲気および温度を耐えなければならず、それ故に同様の材料から作られてもよく、ただし、プロセスのために使用される温度内で合金を形成しない。   The chamber can be manufactured from any material that can withstand a corrosive atmosphere and a range of operating temperatures. In order to hold the silicon-alloy in place, a charge carrier may be used, which must withstand the same atmosphere and temperature as the chamber and is therefore made from a similar material. However, it does not form an alloy within the temperature used for the process.

チャンバは、プロセスガスのための入口および出口を含む。好ましくは、この入口および出口は、チャンバ内に封入された合金にプロセスガスの均一な流れが提供されるように設計されている。流れガイドシステムを使用して均一性を向上させてもよい。出口は、チャンバから出て行くガスが使用される用途に応じて、メッシュまたはパーティクルフィルタを備えていてもよい。   The chamber includes an inlet and an outlet for process gas. Preferably, the inlet and outlet are designed to provide a uniform flow of process gas to the alloy enclosed in the chamber. A flow guide system may be used to improve uniformity. The outlet may comprise a mesh or particle filter depending on the application in which the gas exiting the chamber is used.

チャンバ内に追加の循環を提供しかつプロセスガスの搬送を助けるために、チャンバは攪拌器をさらに含んでもよい。1つの実施形態では、チャンバは内部プロペラである攪拌器を含んでもよい。このプロペラは、ガスの均一な移動が提供されるのであれば、チャンバ内のどこに組み入れてもよい。あるいは、チャンバは、チャンバ内のプロセスガスの搬送を助ける外部ポンプ、たとえばポンプまたはブロワに接続されていてもよい。このポンプまたはブロワは、腐食性ガスに曝され、それゆえに、このような条件に耐えることができる材料で作られるべきである。入口または出口の近くに外部ポンプを設置してもよい。   The chamber may further include an agitator to provide additional circulation within the chamber and to assist in the transfer of process gas. In one embodiment, the chamber may include an agitator that is an internal propeller. This propeller may be incorporated anywhere in the chamber provided that uniform movement of the gas is provided. Alternatively, the chamber may be connected to an external pump, such as a pump or blower that assists in the transfer of process gas within the chamber. The pump or blower should be made of a material that is exposed to corrosive gases and can therefore withstand such conditions. An external pump may be installed near the inlet or outlet.

チャンバ内に設置されたシリコン−金属合金を、プロセスガスとシリコンとの速い反応を確実にするのにおよび高い出力を保証するのに適切な温度まで積極的に加熱する。上で説明したように、前記チャンバは、加熱デバイスを含んでいてもよいし、外部加熱デバイスに接続されていてもよい。加熱デバイスは、チャンバおよび合金を直接加熱するように、すなわち、それが主な熱源であるように使用される。用語「積極的な加熱」、またはその変形は、制御される合金の加熱の方法であって、合金の温度が加熱デバイスの出力を変えることによって変更される方法を説明するために使用される。堆積チャンバから塩素処理チャンバへ入る排気ガスの温度は、クロロシラン生成の発熱反応に加えて、追加の熱源を提供するが、これは間接的なオーダーである。合金温度の制御は加熱デバイスに直接関連する。   The silicon-metal alloy placed in the chamber is actively heated to an appropriate temperature to ensure a fast reaction between the process gas and silicon and to ensure high power. As explained above, the chamber may include a heating device or may be connected to an external heating device. The heating device is used to heat the chamber and the alloy directly, i.e. it is the main heat source. The term “aggressive heating”, or variations thereof, is used to describe a controlled method of heating an alloy wherein the temperature of the alloy is altered by changing the output of the heating device. The temperature of the exhaust gas entering the chlorination chamber from the deposition chamber provides an additional heat source in addition to the exothermic reaction of chlorosilane formation, which is an indirect order. Control of the alloy temperature is directly related to the heating device.

内部加熱デバイスの場合、グラファイトヒーター、好ましくはSiC被覆したもの、または腐食性雰囲気での使用に好適な任意の他の材料を使用することができる。内部加熱デバイスは、大きな径の反応器のための強化加熱を提供し、さらに、より低い壁面温度でのチャンバの動作を可能にして、容器材料の耐腐食性を向上させる。外部加熱デバイスが使用される場合、任意の種類の抵抗加熱器が使用されてもよくこれがチャンバに接続されてもよい。外部加熱デバイスは、塩素処理チャンバの外壁の近くに設置することができ、それはそれに直接接続することもできるし、チャンバの壁の一部とすることもできる。ここで示した説明から、チャンバ内に均一な温度分布を提供するのと共に、加熱デバイスとチャンバとの間の優れた熱接触が必要であることが理解されるであろう。加熱デバイスの数およびそれらの位置は、合金の加熱が可能な限り効率的におよび均一に行われるように設計されることがさらに認められるであろう。ガス入口側でのプロセスガスの予熱を使用することによって、合金の均一な加熱を向上させることができる。加熱デバイスに加えて、この装置は、チャンバからの熱損失を低減させるために断熱材をさらに含んでもよく、これを、チャンバの周囲に設置して、それにより加熱素子およびチャンバを包み込みんでもよい。この断熱材の材料は如何なるときもプロセスガスに曝されないので、技術水準にある任意の断熱材料を使用できる。   For internal heating devices, graphite heaters, preferably SiC coated, or any other material suitable for use in a corrosive atmosphere can be used. The internal heating device provides enhanced heating for large diameter reactors and further allows the chamber to operate at lower wall temperatures to improve the corrosion resistance of the vessel material. If an external heating device is used, any type of resistance heater may be used and connected to the chamber. The external heating device can be placed near the outer wall of the chlorination chamber, which can be connected directly to it or can be part of the chamber wall. From the description presented here, it will be appreciated that excellent thermal contact between the heating device and the chamber is required while providing a uniform temperature distribution within the chamber. It will further be appreciated that the number of heating devices and their location are designed so that the heating of the alloy occurs as efficiently and uniformly as possible. By using process gas preheating on the gas inlet side, uniform heating of the alloy can be improved. In addition to the heating device, the apparatus may further include a thermal insulation to reduce heat loss from the chamber, which may be placed around the chamber, thereby enclosing the heating element and the chamber. . Since this insulation material is not exposed to the process gas at any time, any insulation material in the state of the art can be used.

温度は、技術水準にある温度コントローラによって制御できる。シリコン合金の温度は、高い生成速度を達成するために、150℃よりも高くあるべきであり、好ましくは300℃よりも高くあるべきであり、1100℃を超えるべきでない。当業者は、水素とHClとのガス混合物を注入ガスとして使用する場合、高すぎる温度はシリコンと塩化水素ガスとの間の平衡反応を片側にシフトさせ、他方にあるクロロシランを固体シリコンの方向にシフトさせるであろうことを認めるであろう。純銅−シリコン合金を使用する場合、温度は800℃を超えないほうがよい。なぜなら、これは銅−シリコン合金の共晶温度を示しているからである。より好ましくは、トリクロロシランの形成を最適にするために、温度は300ないし500℃の範囲内に保たれるべきである。より高い融点の金属−ケイ化物を供給材料として使用する場合、それはより高くなるであろう。チャンバの温度は熱伝対または任意の他の種類の温度センサによって制御および/またはモニタされうる。温度センサは好ましくは合金に取り付けるが、そうする必要はないことと、当業者であれば加熱素子の電力消費量に基づいて合金温度を制御できるであろうこととが理解されるであろう。   The temperature can be controlled by a state-of-the-art temperature controller. The temperature of the silicon alloy should be higher than 150 ° C., preferably higher than 300 ° C. and not higher than 1100 ° C. in order to achieve a high production rate. Those skilled in the art will know that when using a gas mixture of hydrogen and HCl as the injection gas, too high a temperature will shift the equilibrium reaction between silicon and hydrogen chloride gas to one side and the chlorosilane on the other side towards solid silicon. Will admit that it will shift. When using pure copper-silicon alloy, the temperature should not exceed 800 ° C. This is because it indicates the eutectic temperature of the copper-silicon alloy. More preferably, the temperature should be kept within the range of 300 to 500 ° C. in order to optimize the formation of trichlorosilane. If a higher melting point metal-silicide is used as the feed, it will be higher. The chamber temperature can be controlled and / or monitored by a thermocouple or any other type of temperature sensor. It will be appreciated that although the temperature sensor is preferably attached to the alloy, this need not be the case and those skilled in the art will be able to control the alloy temperature based on the power consumption of the heating element.

反応器内の圧力は、大気圧より高く制御される。1つの実施形態では、圧力は1−10barの範囲内にある。もう1つの実施形態では約5barである。   The pressure in the reactor is controlled higher than atmospheric pressure. In one embodiment, the pressure is in the range of 1-10 bar. In another embodiment it is about 5 bar.

1つの実施形態では、合金を、この合金の表面がガス流に十分に曝されるようにチャンバ内に設置する。合金は好ましくは銅および低純度シリコン、たとえば金属グレードシリコンである。しかしながら、より高い純度のシリコンを使用してもよいことが理解されるであろう。シリコン濃度は、高いシリコン生産性を確保するために、少なくとも10at%であるべきである。しかし、より低いシリコン濃度も大体においてこのプロセスを損なうことなく同様に使用できる。好ましい実施形態では、塩素処理プロセスのために使用する材料は、共晶または亜共晶の銅−シリコンから形成される。共晶および亜共晶の銅−シリコンは、大気に曝された際の酸化に対する低い親和性によって有名である。さらに、塩素処理プロセスの間に膨潤も粉末化もしないものでありうる。これは、ガス流中での粒子の汚染のリスクを下げることができる。さらに、プロセスガスが材料のバルクへは浸透しない(過共晶の銅−シリコン合金の場合には過共晶材料の深刻な膨潤を原因として起こる)ので、不純物のゲッタリングを向上させる。合金の鋳造プロセスの間に、クロロシランの生成の間の反応時間を早めるために、追加の添加剤を添加してもよい。使用されうる他の添加材としては、限定されないが、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、銀(Ag)、白金(Pt)、およびパラジウム(Pd)が挙げられる。   In one embodiment, the alloy is placed in a chamber so that the surface of the alloy is fully exposed to the gas stream. The alloy is preferably copper and low purity silicon, such as metal grade silicon. However, it will be understood that higher purity silicon may be used. The silicon concentration should be at least 10 at% to ensure high silicon productivity. However, lower silicon concentrations can be used as well, generally without compromising the process. In a preferred embodiment, the material used for the chlorination process is formed from eutectic or hypoeutectic copper-silicon. Eutectic and hypoeutectic copper-silicon are notorious for their low affinity for oxidation when exposed to the atmosphere. Furthermore, it may not swell or powder during the chlorination process. This can reduce the risk of particle contamination in the gas stream. Furthermore, the process gas does not penetrate into the bulk of the material (in the case of a hypereutectic copper-silicon alloy, which occurs due to severe swelling of the hypereutectic material), thus improving impurity gettering. During the alloy casting process, additional additives may be added to speed up the reaction time during chlorosilane formation. Other additives that can be used include, but are not limited to, chromium (Cr), nickel (Ni), iron (Fe), silver (Ag), platinum (Pt), and palladium (Pd).

シリコン−金属合金は、固定床配置の形態でまたは移動床もしくは任意の他の種類の攪拌床配置の形態で、塩素処理チャンバ内に設置してもよい。このプロセスの間のシリコン−金属合金の再装入は、塩素処理チャンバ内の追加の入口を使用して提供されうる。   The silicon-metal alloy may be placed in the chlorination chamber in the form of a fixed bed arrangement or in the form of a moving bed or any other type of stirred bed arrangement. Recharging of the silicon-metal alloy during this process can be provided using an additional inlet in the chlorination chamber.

使用される初期プロセスガスは、反応して、シリコンを運ぶのに適している化学蒸気搬送ガスを形成することができるガスである。1つの実施形態では、初期プロセスガスは、塩素のソースを提供する。1つの実施形態では、初期プロセスガスは、入口を通してチャンバへ供給される水素および乾燥HClガスであり、合金は銅−ケイ化物合金である。水素および乾燥HClガスの比は、1:9ないし9:1の範囲内、好ましくは1:5ないし5:1の範囲内、またはより好ましくは1:2ないし2:1の範囲内にある。この実施形態の場合、塩素処理装置から出て来るガス混合物は、シリコン堆積チャンバへ直接供給できる。   The initial process gas used is a gas that can react to form a chemical vapor carrier gas suitable for carrying silicon. In one embodiment, the initial process gas provides a source of chlorine. In one embodiment, the initial process gas is hydrogen and dry HCl gas supplied to the chamber through the inlet and the alloy is a copper-silicide alloy. The ratio of hydrogen and dry HCl gas is in the range of 1: 9 to 9: 1, preferably in the range of 1: 5 to 5: 1, or more preferably in the range of 1: 2 to 2: 1. In this embodiment, the gas mixture exiting from the chlorination apparatus can be supplied directly to the silicon deposition chamber.

プロセスの開始に先立って、前記システムを、乾燥した、酸化物を含まないガスでパージするか、またはそれを排気して、前記プロセス用の酸化物を含まない雰囲気を提供する。   Prior to the start of the process, the system is purged with a dry, oxide-free gas or evacuated to provide an oxide-free atmosphere for the process.

供給したら、初期プロセスガスは、シリコン−金属合金の表面でシリコンと反応する。結果として、クロロシラン、たとえばトリクロロシラン(TCS)、四塩化ケイ素(STC)またはジクロロシラン(DCS)が、H2−HCl混合物とシリコン合金との反応によって生じる。この反応によって、シリコンを運ぶための化学蒸気搬送ガスが提供される。簡略化すると、この反応を以下のように書くことができる:
Si + 3HCl → SiHCl3 +H2
Once supplied, the initial process gas reacts with silicon at the surface of the silicon-metal alloy. As a result, chlorosilanes such as trichlorosilane (TCS), silicon tetrachloride (STC) or dichlorosilane (DCS) are produced by the reaction of the H2-HCl mixture with a silicon alloy. This reaction provides a chemical vapor carrier gas for carrying silicon. To simplify, this reaction can be written as:
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2

この反応の典型的な副生成物は、SiH2Cl2(DCS)およびSiCl4(STC)である。   Typical byproducts of this reaction are SiH2Cl2 (DCS) and SiCl4 (STC).

反応の選択性は、低い温度のシリコン−金属合金ではTCSの方に、および高い合金温度ではSTCの方にシフトする。   The selectivity of the reaction shifts towards TCS for low temperature silicon-metal alloys and towards STC at higher alloy temperatures.

クロロシランは、塩素処理チャンバから堆積チャンバへ積極的に運ばれる。シリコンの堆積速度は、塩素処理チャンバおよび堆積チャンバ間の流量(すなわちガス交換速度)によって制御できる。前記装置に接続され、塩素処理チャンバおよび堆積チャンバ内でのおよびそこへのガスの流れを制御するように構成されている制御システムによって、この流量を制御してもよい。あるいは、それはH2対HClによって制御できるし、またはそれはフィラメントの温度によって制御できる。堆積速度は、塩素処理領域12内に設置されたシリコン−金属合金の量にも依存するであろう。   Chlorosilane is actively carried from the chlorination chamber to the deposition chamber. The deposition rate of silicon can be controlled by the flow rate (ie, gas exchange rate) between the chlorination chamber and the deposition chamber. This flow rate may be controlled by a control system connected to the apparatus and configured to control the flow of gas in and to the chlorination chamber and the deposition chamber. Alternatively, it can be controlled by H2 vs. HCl or it can be controlled by the temperature of the filament. The deposition rate will also depend on the amount of silicon-metal alloy placed in the chlorination region 12.

上で述べたように、気体状シリコンを、その後、堆積チャンバ内の加熱フィラメント上に、高純度シリコンとして堆積させる。使用されうるフィラメントの種類としては、限定されないが、シリコン、グラファイト、モリブデン、タングステンまたはタンタルのフィラメントが挙げられうる。フィラメントは、そこへのシリコン27の後段の堆積を可能にする任意の形状のものでありうる。好ましくは、フィラメントはU字型である。フィラメントの温度は、1000ないし1200℃の範囲内に制御されかつ維持される。簡略化すると、分解は以下のようになる:
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl
As stated above, gaseous silicon is then deposited as high purity silicon on a heated filament in a deposition chamber. The types of filaments that can be used include, but are not limited to, silicon, graphite, molybdenum, tungsten, or tantalum filaments. The filaments can be of any shape that allows subsequent deposition of silicon 27 thereon. Preferably, the filament is U-shaped. The temperature of the filament is controlled and maintained within the range of 1000 to 1200 ° C. To simplify, the decomposition looks like this:
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl

この反応の典型的な副生成物は、SiH2Cl2(DCS)およびSiCl4(STC)である。   Typical byproducts of this reaction are SiH2Cl2 (DCS) and SiCl4 (STC).

様々な化学反応および反応段階についてのより詳細な議論は、たとえば、A. LuqueおよびS. Hegedus (Eds.): “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-471-49196-9に示されている。上に示した反応後のガスは、塩素処理チャンバへとポンプによって戻され、ここでそれらは、再度、クロロシランの形成のために使用される。このようにして、(a)生じるプロセスガスの量を最小にし、(b)クロロシランの貯蔵および搬送のためのインフラストラクチャに関するコストを下げ、かつ(c)排気ガス処理のための努力を低減する閉鎖系が成立する。   For a more detailed discussion of various chemical reactions and reaction steps, see, for example, A. Luque and S. Hegedus (Eds.): “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-471-49196- It is shown in 9. The post-reaction gases shown above are pumped back into the chlorination chamber where they are again used for the formation of chlorosilanes. In this way, a closure that (a) minimizes the amount of process gas produced, (b) lowers the costs associated with the infrastructure for storage and transport of chlorosilanes, and (c) reduces the effort for exhaust gas treatment. The system is established.

プロセスガスは、時間当たりのこのシステムの体積の数倍大きな搬送速度で循環するので、1サイクルでは或る部分のクロロシラン(主にTCS)のみがフィラメント上で反応して、残りの部分は塩素処理チャンバへ戻る。   Since the process gas circulates at a conveying speed several times greater than the volume of the system per hour, only one part of the chlorosilane (mainly TCS) reacts on the filament in one cycle and the rest is chlorinated. Return to the chamber.

1つの実施形態では、堆積チャンバは、ベルジャーを有するシーメンス式反応器である。ガスの入り口および出口ならびに電気フィードスルーが底板に組み込まれている。チャンバの壁は壁の加熱を避けるように冷却されるべきであることが理解されるであろう。   In one embodiment, the deposition chamber is a Siemens reactor with a bell jar. Gas inlets and outlets and electrical feedthroughs are incorporated into the bottom plate. It will be appreciated that the chamber walls should be cooled to avoid heating the walls.

もう1つの実施形態では、ガスの入口および出口は、チャンバの底部および頂部にそれぞれ位置している。この配置は、プロセスガスの定方向流を提供する。   In another embodiment, the gas inlet and outlet are located at the bottom and top of the chamber, respectively. This arrangement provides a directional flow of process gas.

もう1つの実施形態では、堆積チャンバは塩素処理チャンバに接続されており、2つのチャンバは分離されているが互いに近くに設置されている。この実施形態では、フィラメントからの逸散した熱の一部が、シリコン−金属合金の積極的な加熱をサポートするのに使用され、このシステムのエネルギー収支を向上させる。   In another embodiment, the deposition chamber is connected to a chlorination chamber and the two chambers are separated but placed close to each other. In this embodiment, some of the heat dissipated from the filament is used to support aggressive heating of the silicon-metal alloy, improving the energy balance of the system.

塩素処理チャンバ内での反応からの製造した化学蒸気搬送ガスの組成物は、その後、堆積チャンバへ直接供給されることがさらに認められる。化学蒸気搬送ガスの濾過/処理のための途中の工程が塩素処理チャンバと堆積チャンバとの間にあってもよいが、塩素処理チャンバによって製造された化学蒸気搬送ガスの組成物の少なくとも一部が堆積チャンバに収容される(たとえば、汚染物質を濾過してもよいが、それでも堆積目的に望まれる化学蒸気搬送ガスのクロロシラン組成物は堆積チャンバに収容される)ことが認められる。   It will further be appreciated that the chemical vapor carrier gas composition produced from the reaction in the chlorination chamber is then fed directly into the deposition chamber. An intermediate step for the filtration / treatment of the chemical vapor carrier gas may be between the chlorination chamber and the deposition chamber, but at least a portion of the chemical vapor carrier gas composition produced by the chlorination chamber may be (E.g., contaminants may be filtered, but the chemical vapor carrier gas chlorosilane composition desired for deposition purposes is still contained in the deposition chamber).

本発明は、フィラメント温度を1000℃ないし1200℃の範囲内の温度へ調節でき、適切な流量のガスが必要とされる量および純度レベルでの堆積を達成するように提供されるのであれば、特定のチャンバの幾何に制限されない。構造的および設計的な理由を除いては、堆積チャンバへ組み込まれるロッドの数についての制限はない。   The present invention is capable of adjusting the filament temperature to a temperature in the range of 1000 ° C. to 1200 ° C., provided that an appropriate flow rate of gas is provided to achieve deposition at the required amount and purity level. It is not limited to a specific chamber geometry. There is no limit on the number of rods incorporated into the deposition chamber, except for structural and design reasons.

ケイ化銅による不純物ゲッタリングに加えて、前記装置は、1つ以上の追加部材、たとえば、たとえば金属塩化物などの揮発性不純物を捕らえるための凝縮器(いわゆる「塩とラップ」)または堆積シリコン中の不純物濃度をさらに下げるパーティクルフィルタをさらに含んでもよい。   In addition to impurity gettering with copper silicide, the apparatus includes one or more additional components, such as condensers (so-called “salts and wraps”) or deposited silicon to capture volatile impurities such as metal chlorides, for example. A particle filter that further reduces the concentration of impurities therein may be further included.

塩トラップは、低い流速と大きくて冷却された表面とを有する領域を特徴とし、シリコンの搬送のために使用されるクロロシランの沸点よりも高い沸点を有する揮発性金属塩化物の凝縮を有利にする。塩トラップ内部の温度は、四塩化ケイ素の凝縮を避けるために、約60℃未満ではない方がよい。塩トラップはガスループ中に直接組み込むことができるし、または、一度にガス流の一部のみが塩トラップを通して導かれるように、バイパスループ内に設置できる。   The salt trap is characterized by a region with a low flow rate and a large and cooled surface, favoring the condensation of volatile metal chlorides having a boiling point higher than that of chlorosilane used for silicon transport. . The temperature inside the salt trap should not be less than about 60 ° C. to avoid condensation of silicon tetrachloride. The salt trap can be incorporated directly into the gas loop, or it can be installed in the bypass loop so that only a portion of the gas stream is directed through the salt trap at a time.

パーティクルフィルタとしては、腐食性雰囲気に適合するものであれば、技術水準にあるあらゆる集塵器を使用できる。繰り返しになるが、このフィルタは、ガスループに直接組み込まれてもよいし、バイパスループ内に設置されてもよい。   As the particle filter, any dust collector having a technical level can be used as long as it is suitable for a corrosive atmosphere. Again, this filter may be incorporated directly into the gas loop or installed in the bypass loop.

代わりの実施形態では、本発明の装置は、チャンバにプロセスガスを入れるのに先立って、塩素処理チャンバ内でのシリコン−金属合金の予備処理またはエッチングをさらに可能にする。この実施形態では、堆積チャンバは塩素処理チャンバに対して遮断されており、すなわち、塩素処理チャンバ内の如何なるガスも堆積チャンバへと流れることができず、適切なエッチングガス混合物が堆積チャンバへと供給される。使用されうるガス混合物の種類の例としては、H2およびHClが挙げられる。   In an alternative embodiment, the apparatus of the present invention further allows for pre-treatment or etching of the silicon-metal alloy in the chlorination chamber prior to entering the process gas into the chamber. In this embodiment, the deposition chamber is shut off with respect to the chlorination chamber, i.e. no gas in the chlorination chamber can flow to the deposition chamber, and a suitable etching gas mixture is supplied to the deposition chamber. Is done. Examples of the types of gas mixtures that can be used include H2 and HCl.

ここで、添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に論じる。例示する実施形態では、シリコンの初期ソースとして、銅−ケイ化物を提供する。   The present invention will now be discussed in more detail with reference to the accompanying drawings. In the illustrated embodiment, copper-silicide is provided as the initial source of silicon.

図1は、シリコン−金属合金からのクロロシランの生成および化学蒸気堆積(CVD)プロセスによる精製シリコンの製造のために使用される、全体として10と示した装置の概略断面図を示している。塩素処理は第1の容器またはチャンバ12内で行われ、高純度シリコンの堆積は第2の容器またはチャンバ内で行われる。容器12、14は、プロセスガスによって傷つかずかつこれに対して抵抗性のある材料から製造される。合金16は、最大の表面積がガス流に向くように、第1の容器12内に設置される。初期ガス混合物、たとえばH2およびHClは入口18を介してチャンバ内に供給され、このプロセスの終わりに、このプロセスガスは、第2の容器14内に設置された出口20を介してポンプで送り出される。バルブ22a、22bは、このプロセスの間、ループを締め切っている。   FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of an apparatus, generally designated 10, used for the production of chlorosilane from a silicon-metal alloy and the production of purified silicon by a chemical vapor deposition (CVD) process. Chlorination is performed in the first container or chamber 12 and high purity silicon deposition is performed in the second container or chamber. The containers 12, 14 are manufactured from a material that is not damaged by and resistant to the process gas. The alloy 16 is placed in the first container 12 so that the maximum surface area is directed to the gas flow. An initial gas mixture, such as H2 and HCl, is fed into the chamber via an inlet 18 and at the end of the process, the process gas is pumped through an outlet 20 installed in the second vessel 14. . Valves 22a, 22b close the loop during this process.

バルブ22aまたは22bの使用は、プロセスガス分析のためのプロセスの間のプロセスガスのサンプリングまたは特殊ガス種の追加またはH2対HClの比の変更をさらに可能にする。   The use of valve 22a or 22b further allows for the sampling of process gases during the process for process gas analysis or the addition of special gas species or the change of the H2 to HCl ratio.

初期ガス流が容器12に入ったら、バルブ22aを閉めて閉ループシステムを保証する。初期ガス流が容器12へ供給される前にバルブ22bは閉められるであろうことは理解されるであろう。次に、加熱デバイス38を使用して、合金16に熱を積極的に適用し、合金の温度が150℃を超えたとき、初期ガス混合物は合金16の表面と反応して、シリコンの気体状ソース、すなわちクロロシランを生成する。次に、クロロシランガスは出口24を介して容器12を出て行き、容器14へ流れる。   When the initial gas flow enters the container 12, the valve 22a is closed to ensure a closed loop system. It will be appreciated that the valve 22b will be closed before the initial gas flow is supplied to the vessel 12. The heating device 38 is then used to actively apply heat to the alloy 16 and when the temperature of the alloy exceeds 150 ° C., the initial gas mixture reacts with the surface of the alloy 16 to form a gaseous silicon. A source, chlorosilane, is produced. The chlorosilane gas then leaves the container 12 via the outlet 24 and flows to the container 14.

容器14内には、少なくとも1つのU字型フィラメント26が設置されており、この上にシリコンが堆積される。フィラメント26を1000℃ないし1200℃の範囲内の温度まで加熱して、シリコン堆積を可能にする。次に、H2、HCl、TCSおよびSTCを主に含有する得られたガスは、容器14を出て行き、第2の流路を通って、容器12へ戻る。次に、このガスは初期の塩素ソースとして働き、そのため、閉ループシステム内で生じるもの以外は追加のガスソースは必要とされない。前記STC、またはその一部は変換してTCSに戻るであろうし、前記HCl、またはその一部はシリコン−金属合金からの低純度シリコンと反応してクロロシラン、主にTCSとなるであろう。ガスはポンプ30によって至るところに積極的に循環させられ、搬送速度は流量計32によって測定される。塩素処理チャンバの出口にある塩トラップ34では、揮発性不純物が凝縮して捕捉される。粒子はパーティクルフィルタ36によって捕らえられうる。   In the container 14, at least one U-shaped filament 26 is installed, on which silicon is deposited. Filament 26 is heated to a temperature in the range of 1000 ° C. to 1200 ° C. to allow silicon deposition. The resulting gas containing mainly H2, HCl, TCS and STC then exits the container 14 and returns to the container 12 through the second flow path. This gas then acts as an initial chlorine source so that no additional gas source is needed other than what occurs in the closed loop system. The STC, or part thereof, will convert back to TCS, and the HCl, or part thereof, will react with low purity silicon from a silicon-metal alloy to chlorosilane, primarily TCS. The gas is actively circulated everywhere by the pump 30, and the conveyance speed is measured by the flow meter 32. In the salt trap 34 at the outlet of the chlorination chamber, volatile impurities are condensed and captured. Particles can be captured by the particle filter 36.

粒子および金属塩化物は主に塩素処理チャンバから生じるので、パーティクルフィルタおよび塩トラップのより好ましい位置は、塩素処理チャンバの出口の後段である。しかしながら、これらの部材は必須ではなく、ここで説明する装置および方法はこれら部材なしに機能するであろうことは理解されるであろう。   Since particles and metal chloride originate primarily from the chlorination chamber, a more preferred location for the particle filter and salt trap is after the chlorination chamber outlet. However, it will be understood that these members are not essential and that the apparatus and method described herein will function without these members.

さらに、技術水準にある任意のブロワまたは搬送ポンプを2つのチャンバの間に設置することができ、ただしそれは腐食性ガスを扱えるものである。   In addition, any state-of-the-art blower or delivery pump can be installed between the two chambers, provided that it can handle corrosive gases.

入口28および出口24の設置は、入口については容器12に頂部から入り、出口24については容器12に出口から出て行くように示している。しかしながら、入口および出口の配置は、図示したそれと異なってもよい。   The installation of the inlet 28 and outlet 24 is shown as entering the container 12 from the top for the inlet and exiting the container 12 for the outlet 24 from the outlet. However, the arrangement of the inlet and outlet may be different from that shown.

図2では、堆積チャンバを出て行く熱いガスがシリコン合金のための追加の熱源として働くように使用されるように、堆積チャンバ13が塩素処理チャンバ12にくっ付いている。このような配置は、システムのエネルギー効率を向上させる。使用する合金の量または堆積させるシリコンの量に応じて、2つのチャンバの大きさおよび体積は様々でありうる。   In FIG. 2, the deposition chamber 13 is attached to the chlorination chamber 12 so that the hot gas exiting the deposition chamber is used to serve as an additional heat source for the silicon alloy. Such an arrangement improves the energy efficiency of the system. Depending on the amount of alloy used or the amount of silicon deposited, the size and volume of the two chambers can vary.

どちらの場合でも、すなわち完全に切り離されている配置またはくっ付いている配置では、プロセスガスのためのガイドシステムを1つ以上のチャンバに組み込み、対応するチャンバ内のガスの流れを最適にしてもよいが、図示していない。   In either case, i.e. in a completely disconnected or attached arrangement, a guide system for the process gas can be incorporated in one or more chambers to optimize the gas flow in the corresponding chamber. Good but not shown.

ここで説明する方法によって形成された堆積シリコン、および合金を形成するのに使用された金属グレードシリコンの純度についての分析を表1に示す。代表的なサンプルを示している。示していない他の全ての元素は検出限界を下回っていた。シリコンはGDMS(グロー放電質量分光分析,銅の検出限界は50ppbである)によって、独立した認定研究所(NAL-Northern Analytical Lab., Londonderry, NH)によって分析した。

Figure 2012515129
An analysis of the purity of the deposited silicon formed by the method described herein and the metal grade silicon used to form the alloy is shown in Table 1. A representative sample is shown. All other elements not shown were below the detection limit. Silicon was analyzed by GDMS (glow discharge mass spectrometry, copper detection limit is 50 ppb) by an independent accredited laboratory (NAL-Northern Analytical Lab., Londonderry, NH).
Figure 2012515129

本発明の方法および装置の性能をさらに説明するために、以下の例を提供する。これらは単なる例であって、何ら限定するものではない。   The following examples are provided to further illustrate the performance of the method and apparatus of the present invention. These are merely examples and are not limiting in any way.

例1
34cmの径および50cmの高さの塩素処理チャンバに、シリコン−銅合金の25個のブリックを装入し、合金の総重量は12kgであり、シリコンの濃度は30wt%であり、すなわち3.6kgであった。これらブリックを塩素処理チャンバの中央に等間隔で設置した。適切な排気をし、チャンバをプロセスガスで充填したのち、この塩素処理チャンバをシーメンス式のポリシリコン堆積チャンバに接続した。このチャンバ内の圧力を大気圧以上に維持した。合金を300ないし400℃の温度まで加熱し、プロセスガスを塩素処理チャンバと堆積チャンバとの間の閉ループシステムにおいて循環させた。塩素処理チャンバ内で生じたクロロシラン(主にトリクロロシラン)を堆積チャンバ内で消費し、堆積プロセスからの排気ガス(特にHClおよびSTCによって富化されている)を、シリコン合金と反応することによって新たなクロロシランを生成させるのに使用した。ガスは、48時間にわたって循環し、その間に、1.6kgのシリコンをシリコン−銅合金から抽出し、堆積反応器内で堆積させた。堆積シリコン中で銅は検出されず、シリコンはGDMS(グロー放電質量分光分析,銅の検出限界は50ppbである)によって、独立した認定研究所(NAL-Northern Analytical Lab., Londonderry, NH)によって分析した。銅の分解能限度は50ppbであり、これは、銅は固相に残り、シリコンのみが気相となって合金から抽出されたことを明らかに示している。固体のピースの形態で挿入された合金ブリックは、シリコンを合金ブリックの内側の領域から抽出しなければならないときでも、優れたガス交換を可能にする、多孔質の多少スポンジ状の材料を形成した。プロセスが止められ、反応器が冷めた後、ガスを不活性ガスによって置換した。
Example 1
A chlorination chamber with a diameter of 34 cm and a height of 50 cm is charged with 25 bricks of silicon-copper alloy, the total weight of the alloy is 12 kg and the silicon concentration is 30 wt%, ie 3.6 kg. Met. These bricks were installed at equal intervals in the center of the chlorination chamber. After proper evacuation and filling the chamber with process gas, the chlorination chamber was connected to a Siemens polysilicon deposition chamber. The pressure in this chamber was maintained above atmospheric pressure. The alloy was heated to a temperature of 300-400 ° C. and process gas was circulated in a closed loop system between the chlorination chamber and the deposition chamber. Chlorosilane (mainly trichlorosilane) generated in the chlorination chamber is consumed in the deposition chamber and exhaust gases from the deposition process (especially enriched by HCl and STC) are renewed by reacting with the silicon alloy. Used to produce fresh chlorosilane. The gas circulated for 48 hours, during which time 1.6 kg of silicon was extracted from the silicon-copper alloy and deposited in the deposition reactor. Copper is not detected in the deposited silicon and silicon is analyzed by GDMS (glow discharge mass spectrometry, copper detection limit is 50 ppb) and by an independent accredited laboratory (NAL-Northern Analytical Lab., Londonderry, NH) did. The resolution limit of copper is 50 ppb, which clearly shows that copper remains in the solid phase and only silicon is extracted from the alloy in the gas phase. The alloy brick inserted in the form of a solid piece formed a porous, somewhat sponge-like material that allowed for excellent gas exchange even when silicon had to be extracted from the area inside the alloy brick . After the process was stopped and the reactor was cooled, the gas was replaced with inert gas.

例2
4ピースのシリコン銅合金(総重量:1.3kg、シリコンの量:390g)を15cmの径および25cmの高さの塩素処理チャンバ内に設置した。この合金を外部の件津デバイスによって加熱し、プロセスガスを外部の膜ポンプによって循環させた。堆積チャンバの内部に、フィラメントを設置し、これを1100℃まで加熱し、生成させたクロロシランを消費した。塩素処理および堆積チャンバは取り付けた配置で構成されており、シリコン−銅合金を加熱するにフィラメントの熱の一部を使用する。堆積チャンバは、中板(石英ディスクおよび銅板によって作られている)によって塩素処理チャンバから隔てられている。中央の穴は優れたガス交換を可能にする。合金鋳造のために、99.3%の純度を有する金属グレードシリコンを使用した。GDMS測定値(体積シリコンの異なる領域から得た2つの測定値の平均)にしたがうと、金属不純物の総量は250ppb未満であった(詳細には:Al:20ppb、Mg:5ppb、Ca:45ppb、Fe:21ppb、Na:56ppb、K:54ppb、他の全ての金属:検出限界未満)。ホウ素の濃度は0.22ppmであり、リンの濃度は検出限界未満(<10ppb)であった。
Example 2
A 4-piece silicon copper alloy (total weight: 1.3 kg, silicon amount: 390 g) was placed in a chlorination chamber with a diameter of 15 cm and a height of 25 cm. This alloy was heated by an external device and the process gas was circulated by an external membrane pump. Inside the deposition chamber, a filament was placed, heated to 1100 ° C., and the produced chlorosilane was consumed. The chlorination and deposition chamber is configured in a mounted arrangement and uses a portion of the filament heat to heat the silicon-copper alloy. The deposition chamber is separated from the chlorination chamber by an intermediate plate (made of quartz disk and copper plate). The central hole allows for excellent gas exchange. For alloy casting, metal grade silicon having a purity of 99.3% was used. According to GDMS measurements (average of two measurements from different areas of volume silicon), the total amount of metal impurities was less than 250 ppb (specifically: Al: 20 ppb, Mg: 5 ppb, Ca: 45 ppb, Fe: 21 ppb, Na: 56 ppb, K: 54 ppb, all other metals: below detection limit). The boron concentration was 0.22 ppm and the phosphorus concentration was below the detection limit (<10 ppb).

例3
約1ccmのサイズを有する10kgの塊を34cmの径および50cmの高さの塩素処理チャンバ内に設置した。この塊は、30at%のシリコン濃度の銅−シリコン合金から形成した。38時間以内に、2本の34cmの高さの10×10mmのフィラメント上に、2kgの精製シリコンを堆積させた。堆積温度は1100℃であった。不純物の分析結果を表1の「Run 3.2−17」に示す。
Example 3
A 10 kg mass having a size of about 1 ccm was placed in a chlorination chamber with a diameter of 34 cm and a height of 50 cm. This mass was formed from a copper-silicon alloy having a silicon concentration of 30 at%. Within 38 hours, 2 kg of purified silicon was deposited on two 34 cm high 10 × 10 mm filaments. The deposition temperature was 1100 ° C. The analysis results of impurities are shown in “Run 3.2-17” in Table 1.

例4
28kgの共晶の銅−シリコン(Si含有量16wt%)16を、88個のブリックの形態で塩素処理チャンバ12の中に設置した。チャンバ12をシリコン堆積反応器14に接続し、生成したクロロシランを消費し、堆積プロセスの間に生じる新鮮なHClをシステムに提供した。77時間以内に、3.1kgのシリコンを共晶の銅−シリコンから抽出し、ガスの形態に移し、加熱シリコンフィラメント(フィラメント温度:1050−1100℃)上に堆積させた。共晶の銅−シリコンを350ないし450℃の温度まで加熱した。塩素処理チャンバへ供給された初期ガス組成物はH2およびHClの混合物(60%のH2および40%HCl)であった。このプロセスの間、塩素処理チャンバには、堆積反応器からのオフガスのみを供給した。このプロセスののち、共晶の銅−シリコンプレートの保全性が得られ、プレートの膨潤も粉末化も観察されなかった。堆積シリコンの純度をGDMSによって分析した:ホウ素およびリンは、10ppbの検出限界以下であった。金属不純物としては、Na、K、AlおよびFのみが検出され、他の全ての元素はGDMSの検出限界未満であった。合計で、検出可能な金属不純物の量は<100ppbであった。
Example 4
28 kg of eutectic copper-silicon (Si content 16 wt%) 16 was placed in the chlorination chamber 12 in the form of 88 bricks. The chamber 12 was connected to a silicon deposition reactor 14 to consume the produced chlorosilane and to provide the system with fresh HCl generated during the deposition process. Within 77 hours, 3.1 kg of silicon was extracted from the eutectic copper-silicon, transferred to gas form, and deposited on a heated silicon filament (filament temperature: 1050-1100 ° C.). The eutectic copper-silicon was heated to a temperature of 350-450 ° C. The initial gas composition supplied to the chlorination chamber was a mixture of H2 and HCl (60% H2 and 40% HCl). During this process, the chlorination chamber was fed only with off-gas from the deposition reactor. After this process, the integrity of the eutectic copper-silicon plate was obtained and no swelling or pulverization of the plate was observed. The purity of the deposited silicon was analyzed by GDMS: boron and phosphorus were below the detection limit of 10 ppb. As metal impurities, only Na, K, Al and F were detected, and all other elements were below the detection limit of GDMS. In total, the amount of detectable metal impurities was <100 ppb.

例5
54kgの亜共晶(純イータ相、Si含有量12wt%)の銅−シリコン16を110個のブリックの形態で、塩素処理チャンバ12内に設置した。塩素処理プロセスの間の温度は、270ないし450℃の範囲内にあった。チャンバ12をシリコン堆積反応器14に接続し、生成したクロロシランを消費し、堆積プロセスの間に生じる新鮮なHClをシステムに提供した。117時間以内に、4kgのシリコンを亜共晶の銅−シリコンから抽出し、ガスの形態に移し、加熱シリコンフィラメント上にポリシリコンとして堆積させた。フィラメント温度は1050−1100℃であった。ロッドの形態は非常に滑らかで、ポップコーン成長も形態学的な不安定性も観察されなかった。塩素処理チャンバへ供給された初期ガス組成物はH2およびHClの混合物(60%のH2および40%HCl)であった。このプロセスの間、塩素処理チャンバには、堆積反応器からのオフガスのみを供給した。このプロセスののち、亜共晶の銅−シリコンブリックの保全性が得られ、プレートの膨潤も粉末化も観察されなかった。
Example 5
54 kg of hypoeutectic (pure eta phase, Si content 12 wt%) copper-silicon 16 was placed in the chlorination chamber 12 in the form of 110 bricks. The temperature during the chlorination process was in the range of 270-450 ° C. The chamber 12 was connected to a silicon deposition reactor 14 to consume the produced chlorosilane and to provide the system with fresh HCl generated during the deposition process. Within 117 hours, 4 kg of silicon was extracted from hypoeutectic copper-silicon, transferred to gas form, and deposited as polysilicon on a heated silicon filament. The filament temperature was 1050-1100 ° C. The rod morphology was very smooth and no popcorn growth or morphological instability was observed. The initial gas composition supplied to the chlorination chamber was a mixture of H2 and HCl (60% H2 and 40% HCl). During this process, the chlorination chamber was fed only with off-gas from the deposition reactor. After this process, the integrity of the hypoeutectic copper-silicon brick was obtained and no swelling or pulverization of the plate was observed.

例6
60%のニッケル濃度を有する1.4kgのNi−Si合金を塩素処理反応器12内に設置し、350ないし450℃まで加熱した。27時間の期間にわたって、67gのシリコンをニッケル−シリコン合金から抽出し、加熱シリコンフィラメント上に堆積させた。プロセスの間、ニッケル−シリコン合金はその形状を変化させず、膨潤、粉末化または粒子の放出の兆候を何ら示さなかった。
Example 6
1.4 kg of Ni—Si alloy having a nickel concentration of 60% was placed in the chlorination reactor 12 and heated to 350 to 450 ° C. Over a 27 hour period, 67 g of silicon was extracted from the nickel-silicon alloy and deposited on the heated silicon filament. During the process, the nickel-silicon alloy did not change its shape and did not show any signs of swelling, powdering or particle release.

装置10および関連するプロセスの代わりの実施形態
図3を参照すると、これ(present)は高純度シリコン27の製造する方法8に関する。特に、これは、低グレードソース材料16から高純度シリコン27を製造する方法8に関する。これは、クロロシラン15の製造のためのソース16をさらに提供する。特に、これは、共晶のまたは亜共晶のシリコン−金属合金16からのクロロシラン15の製造方法を提供する。また、これは、高純度の、費用効率のよいシリコン27の製造にも関する。高純度シリコン27は、たとえば、ウェハ製造用の多結晶または単結晶インゴットを形成するための基礎原料として有用でありうる。さらに、これは、未精製シリコン、たとえば金属グレードシリコン(約98−99%の純度)の、抵抗率閾値(たとえば約50オームcm以上のそれ)を上回る選択された抵抗率での純度を有する高純度シリコンへの精製にさらに関する。
Alternative Embodiment of Apparatus 10 and Associated Processes Referring to FIG. 3, this relates to a method 8 for manufacturing high purity silicon 27. In particular, this relates to a method 8 for producing high purity silicon 27 from low grade source material 16. This further provides a source 16 for the production of chlorosilane 15. In particular, this provides a method for producing chlorosilane 15 from eutectic or hypoeutectic silicon-metal alloy 16. This also relates to the production of high purity, cost effective silicon 27. The high-purity silicon 27 can be useful as a base material for forming, for example, a polycrystalline or single crystal ingot for wafer manufacture. Furthermore, it has a high purity with a selected resistivity above a resistivity threshold (eg, greater than about 50 ohm cm) of unpurified silicon, eg, metal grade silicon (about 98-99% purity). Further relates to purification to pure silicon.

プロセス8および装置10
一般に、2種類以上の固体の混合物(たとえば金属シリコン合金材料16(以下、合金材料16とも呼ぶ))の融点は、その成分元素A、Bの相対割合に依存する。図4、図5を参照のこと。以下に加えて、合金材料16は、選択された度合いの共晶プロパティを含む選択された組成の銅−シリコン化合物または他のシリコン−金属合金からの化学蒸気、たとえばクロロシランの形成を促進するように選択する。
Process 8 and device 10
In general, the melting point of a mixture of two or more kinds of solids (for example, metal silicon alloy material 16 (hereinafter also referred to as alloy material 16)) depends on the relative proportions of the component elements A and B. See FIG. 4 and FIG. In addition to the following, the alloy material 16 promotes the formation of chemical vapors, such as chlorosilane, from copper-silicon compounds or other silicon-metal alloys of a selected composition containing a selected degree of eutectic properties. select.

図3を参照すると、たとえばクロロシランを含有する搬送ガス15の製造のためのソースとして使用される合金材料16が提供されている。共晶および/または亜共晶の金属−シリコン合金材料12からの(搬送ガス15中の)クロロシラン9の製造のための一般的な方法と共に、合金材料16の一般的な望まれる性質、ならびに合金材料16の製造、クロロシラン堆積プロセス8の一例での使用、およびリサイクルの例を説明する。以下の説明はたとえばCVD装置で実行されるCVDプロセス8での使用に望ましいプロパティを有する金属/シリコン合金材料16を提供することが認められる。CVDプロセス8および対応する装置10の以下の例は、単に議論を目的として、塩素処理9−堆積11として説明している。塩素処理を目的としたもの以外のCVDプロセス8(蒸気製造9および堆積11を含む)および対応する装置10も、望まれるのであれば、合金材料16と共に使用できることが考えられる。クロロシランは、合金材料16中のシリコンと注入ガス13(たとえばHClを含有する)との反応の結果として生成する搬送ガス15の一例である。搬送ガス15のほかの例としては、他のハライド(たとえば、シリコンを有する反応性の形態のフッ素、臭素および/またはヨウ素など,HBr、HI、HFなど)を挙げることができる。したがって、ハロゲン化水素の異なる沸点および注入ガス13と金属シリコン合金材料16のシリコンとの異なる反応性のせいで、温度、ガスの組成、圧力および/またはプロセス9、11に関連する他のパラメータに関しての所定の変更が必要となりうる。さらに、プロセス9、11のためにまたはこのプロセス9、11の間に使用される所定の材料との適合性を提供しなければならない。   Referring to FIG. 3, an alloy material 16 is provided that is used as a source for the production of a carrier gas 15 containing, for example, chlorosilane. The general desired properties of the alloy material 16 as well as the general process for the production of chlorosilane 9 (in the carrier gas 15) from the eutectic and / or hypoeutectic metal-silicon alloy material 12, as well as the alloy An example of the production of material 16, its use in one example of chlorosilane deposition process 8, and recycling will be described. It will be appreciated that the following description provides a metal / silicon alloy material 16 having desirable properties for use in, for example, a CVD process 8 performed in a CVD apparatus. The following example of the CVD process 8 and corresponding apparatus 10 is described as a chlorination 9-deposition 11 for discussion purposes only. It is contemplated that CVD processes 8 (including steam production 9 and deposition 11) and corresponding apparatus 10 other than those intended for chlorination can also be used with the alloy material 16 if desired. Chlorosilane is an example of a carrier gas 15 that is generated as a result of the reaction between silicon in the alloy material 16 and an injection gas 13 (eg, containing HCl). Other examples of the carrier gas 15 may include other halides (eg, reactive forms of fluorine, bromine and / or iodine with silicon, HBr, HI, HF, etc.). Thus, due to the different boiling points of the hydrogen halide and the different reactivity of the injection gas 13 with the silicon of the metal silicon alloy material 16, with respect to temperature, gas composition, pressure and / or other parameters associated with the processes 9, 11. Certain changes may be required. In addition, compatibility with certain materials used for or during process 9,11 must be provided.

CVDの例としては、たとえば、限定はされないが:動作圧力によって分類されるもの;蒸気の物理的特徴によって分類されるもの;プラズマ法;原子層CVD(ALCVD);熱線CVD(HWCVD);物理−化学混成気相堆積(HPCVD);急熱CVD(RTCVD);および気相エピタキシー(VPE)が挙げられる。搬送ガス生成プロセス9の動作圧力および/または温度は、搬送ガス15の形成に適合する(すなわちこれを促進する)ように、合金材料16の融点と適合するように(たとえば、プロセス9の温度は、合金材料16の融点温度よりも低い)、および/またはマトリック114を通してのシリコンの拡散に適合しておよび/またはそうでなければこれを促進して、合金材料16中に含まれるどんな不純物の拡散にも優先させる(たとえば、これよりも大きい−たとえば少なくとも2倍大きい、少なくとも4倍大きい、少なくなくとも一桁大きい、少なくとも二桁大きい)ように選択されうる。   Examples of CVD include, but are not limited to: those classified by operating pressure; those classified by physical characteristics of vapor; plasma method; atomic layer CVD (ALCVD); hot wire CVD (HWCVD); Chemical hybrid vapor deposition (HPCVD); rapid thermal CVD (RTCVD); and vapor phase epitaxy (VPE). The operating pressure and / or temperature of the carrier gas generation process 9 is adapted to the melting point of the alloy material 16 (eg, the temperature of the process 9 is such that it is compatible with (ie, facilitates) the formation of the carrier gas 15. , Lower than the melting temperature of the alloy material 16), and / or to accommodate and / or otherwise facilitate the diffusion of silicon through the matrix 114 to diffuse any impurities contained in the alloy material 16. (E.g., greater than this-eg, at least 2 times greater, at least 4 times greater, at least an order of magnitude greater, at least 2 orders of magnitude greater).

一般に、化学気相堆積(CVD)は、高純度、高性能の固体材料たとえば所望の純度の堆積シリコン27を製造するのに使用される化学的プロセス8である。プロセス8(たとえば、塩素処理9−堆積11のプロセスを含む)は、半導体および太陽電池産業において、所望の純度および形状のシリコン27を製造するのに使用されうる。典型的なCVDプロセス8では、シリコン基板26(たとえば、ウェハまたは付形されたロッドなどのフィラメント)を1種以上の揮発性前駆体(すなわち、塩素処理プロセス9によって製造した搬送ガス15から得られるもの)に曝して、基板26上へのシリコン27の堆積プロセス11を促進させる。したがって、堆積プロセス11では、プロセスガス15中のクロロシランが基板26上で反応しおよび/またはそうでなければ分解して、所望の堆積シリコン27を製造する。   In general, chemical vapor deposition (CVD) is a chemical process 8 used to produce high purity, high performance solid materials such as deposited silicon 27 of the desired purity. Process 8 (eg, including the chlorination 9-deposition 11 process) can be used in the semiconductor and solar cell industries to produce silicon 27 of the desired purity and shape. In a typical CVD process 8, a silicon substrate 26 (eg, a filament such as a wafer or shaped rod) is obtained from one or more volatile precursors (ie, carrier gas 15 produced by chlorination process 9). The deposition process 11 of silicon 27 on the substrate 26 is accelerated. Thus, in the deposition process 11, the chlorosilane in the process gas 15 reacts on the substrate 26 and / or otherwise decomposes to produce the desired deposited silicon 27.

さらに、プロセス8は、高純度で、費用効率の高いシリコン27の製造のためにも使用することができ、たとえば未精製シリコン、たとえば、限定されないが、金属/シリコン合金材料16の成分として提供される約98ないし99.5%の純度の金属グレードシリコンの、金属不純物に関しての選択された純度レベル(たとえば、6N)よりも優れた純度を有する高純度シリコン27への精製に適用されうる。また、プロセス8は、たとえばウェハ製造のための多結晶または単結晶インゴットを形成するための基礎原料として使用できる、ソーラーグレードシリコン27の精製および製造のためにも使用できる。   Further, the process 8 can also be used for the production of high purity, cost effective silicon 27, for example provided as a component of unpurified silicon, such as, but not limited to, metal / silicon alloy material 16. About 98 to 99.5% pure metal grade silicon can be applied to the purification of high purity silicon 27 having a purity superior to a selected purity level (eg, 6N) with respect to metal impurities. Process 8 can also be used for the purification and manufacture of solar grade silicon 27, which can be used, for example, as a base material for forming polycrystalline or single crystal ingots for wafer manufacture.

図3を再度参照すると、(たとえば、水素ガスおよび乾燥HClガスを含む塩素ソースを提供する)注入ガス13を、蒸気堆積(たとえば、塩素処理−堆積)装置10の化学蒸気製造(たとえば塩素処理)領域12(たとえば、チャンバ)に流し込み、合金材料16(たとえば、銅−ケイ化物合金)と接触させる。注入ガス13は、合金材料16と反応して、シリコンを蒸気製造領域12(たとえば、チャンバ、チャンバの一部)内の合金材料16から装置10の堆積領域14(たとえば、チャンバ、チャンバの一部)へ運ぶための化学蒸気搬送ガス15を形成することができるガスである。   Referring again to FIG. 3, the injection gas 13 (eg, providing a chlorine source including hydrogen gas and dry HCl gas) is used to produce a chemical vapor (eg, chlorination) of the vapor deposition (eg, chlorination-deposition) apparatus 10. Pour into region 12 (eg, chamber) and contact with alloy material 16 (eg, copper-silicide alloy). The injection gas 13 reacts with the alloy material 16 to convert silicon from the alloy material 16 in the vapor production region 12 (eg, chamber, part of the chamber) to the deposition region 14 (eg, chamber, part of the chamber) of the apparatus 10. ) Is a gas capable of forming a chemical vapor carrier gas 15 for transporting to).

上の例と同様に、プロセス8および装置10は、クロロシランを含有する搬送ガス15の製造によるシリコンの精製と、シリコンフィラメント26上への高純度シリコン27の堆積とを提供する。クロロシランガス15は、低純度シリコンがシリコン合金材料16の形態で設置されているところの一方の領域12で生じ9、高純度シリコン27は、加熱シリコンフィラメント26が設置されているところの他方の領域14において堆積される11。ここでの用語クロロシランの使用は、シリコンに結合した1個以上の塩素原子を有する任意のシラン種のことを言う。生成するクロロシランとしては、限定はされないが、ジクロロシラン(DCS)、トリクロロシラン(TCS)および四塩化ケイ素(STC)が挙げられうる。たとえば、TCSは精製シリコン27の堆積のために使用できる。   Similar to the above example, process 8 and apparatus 10 provide for the purification of silicon by production of carrier gas 15 containing chlorosilane and the deposition of high purity silicon 27 on silicon filaments 26. The chlorosilane gas 15 is generated 9 in one region 12 where low purity silicon is installed in the form of a silicon alloy material 16, and the high purity silicon 27 is the other region where the heated silicon filament 26 is installed. Is deposited 11. The use of the term chlorosilane herein refers to any silane species having one or more chlorine atoms bonded to silicon. The chlorosilanes produced can include, but are not limited to, dichlorosilane (DCS), trichlorosilane (TCS), and silicon tetrachloride (STC). For example, TCS can be used for the deposition of purified silicon 27.

さらに、上で説明したプロセス8では、合金材料16の使用は、堆積プロセス11からの金属不純物の除去を促進することができる。特に、この堆積方法は、高純度シリコン27に合金材料16中に存在する金属不純物の除去を提供することができる。金属不純物には、たとえばFe、Ca、Na、NiまたはCrなど、揮発性塩化物を形成しないものがあり、そのため、これらは塩素処理領域12内の合金材料12に留まる。多少低い沸点を有する塩化物を形成する他のもの(たとえば、AlまたはTi)は蒸発するが、より好ましくは、堆積領域14において、熱いシリコンフィラメント26上に堆積するよりも冷たい表面上で凝縮する。   Further, in process 8 described above, the use of alloy material 16 can facilitate the removal of metal impurities from deposition process 11. In particular, this deposition method can provide for the removal of metal impurities present in the alloy material 16 in the high purity silicon 27. Some metal impurities, such as Fe, Ca, Na, Ni or Cr, do not form volatile chlorides, so they remain in the alloy material 12 in the chlorination region 12. Others that form chlorides with somewhat lower boiling points (eg, Al or Ti) evaporate, but more preferably condense in the deposition region 14 on a colder surface than deposits on the hot silicon filament 26. .

CVDプロセス8のパラメータの例
注入ガス流13が領域12に入ったら、加熱デバイス6を使用して合金材料16に熱7を積極的に適用/供給し、合金材料16の温度が選択した温度T(たとえば150℃)よりも高くなったとき、注入ガスは合金材料16の表面で反応し、シリコンの気体状ソース、すなわちクロロシラン搬送ガス15を製造する。次に、クロロシランガス15はこの領域を出て行き、領域14へ流れる。
Example of Parameters for CVD Process 8 Once the infused gas stream 13 enters the region 12, the heating device 6 is used to actively apply / supply heat 7 to the alloy material 16 so that the temperature of the alloy material 16 is a selected temperature T. When higher than (eg, 150 ° C.), the injected gas reacts at the surface of the alloy material 16 to produce a gaseous source of silicon, the chlorosilane carrier gas 15. The chlorosilane gas 15 then leaves this area and flows to area 14.

領域14には、少なくとも1つの付形された(たとえばU字型の)フィラメント26が設置されており、ここにシリコン27が堆積される。フィラメント26を1000℃ないし1200℃の範囲内にある温度まで加熱して、シリコン堆積11を可能にする。合金材料16中の晶子120(図7aを参照のこと)の存在(存在する場合)が選択された最大晶子閾値以下であるように選択された重量パーセントのシリコン(共晶シリコンwt%組成以下のシリコン(共晶または亜共晶マトリックス114)の場合、合金材料16中の晶子120の存在はたとえ存在していても無視できることが認められる)を使用する装置10およびプロセス8で使用するシリコン−金属合金材料を形成するために、任意の金属を使用することができ、ただし、前記金属は、定義された蒸気圧閾値未満の蒸気圧を有しかつHClガスおよび水素との限られた反応を示す。銅シリコン合金材料16の場合、最大晶子閾値は、合金材料16中のシリコンの重量パーセントとして、たとえば、20%未満、19%未満、18%未満、17.5%未満、17%未満、または16.5%未満と定義されうる。   At least one shaped (eg, U-shaped) filament 26 is placed in region 14 where silicon 27 is deposited. Filament 26 is heated to a temperature in the range of 1000 ° C. to 1200 ° C. to allow silicon deposition 11. A selected weight percent of silicon (eutectic silicon wt% composition or less) such that the presence (if any) of crystallites 120 (see FIG. 7a) in alloy material 16 is less than or equal to the selected maximum crystallite threshold. Silicon-metal for use in apparatus 10 and process 8 using silicon (in the case of eutectic or hypoeutectic matrix 114), the presence of crystallites 120 in alloy material 16 is negligible even if present. Any metal can be used to form the alloy material, provided that the metal has a vapor pressure below a defined vapor pressure threshold and exhibits limited reaction with HCl gas and hydrogen. . For copper silicon alloy material 16, the maximum crystallite threshold is, for example, less than 20%, less than 19%, less than 18%, less than 17.5%, less than 17%, or 16 as the weight percent of silicon in alloy material 16. It may be defined as less than 5%.

さらに、たとえば、金属は、堆積領域14内の熱いフィラメント26上で分解する傾向にある気体種を形成すべきでない。好ましくは、使用する金属は、塩素処理領域12の使用温度の範囲内で揮発性金属塩化物を形成するものでない。合金材料16を形成する考えられる金属としては、限定されないが、銅、ニッケル、鉄、銀、白金、パラジウム、クロムまたはこれら金属の組み合わせが挙げられる。本発明の好ましい実施形態では、合金材料16はシリコン−銅合金である。   Further, for example, the metal should not form gaseous species that tend to decompose on the hot filament 26 in the deposition region 14. Preferably, the metal used does not form volatile metal chlorides within the operating temperature range of the chlorination zone 12. Possible metals that form alloy material 16 include, but are not limited to, copper, nickel, iron, silver, platinum, palladium, chromium, or combinations of these metals. In a preferred embodiment of the present invention, the alloy material 16 is a silicon-copper alloy.

結果として、クロロシランガス15(たとえばトリクロロシラン(TCS)、四塩化ケイ素(STC)またはジクロロシラン(DCS))が、H2−HCl混合物13とシリコン合金材料16との反応9によって生じる。この反応9によって、シリコンを運ぶための化学蒸気搬送ガス15が提供される。簡略化すると、反応9は以下のように書くことができる。   As a result, chlorosilane gas 15 (eg, trichlorosilane (TCS), silicon tetrachloride (STC), or dichlorosilane (DCS)) is generated by reaction 9 between H 2 -HCl mixture 13 and silicon alloy material 16. This reaction 9 provides a chemical vapor carrier gas 15 for carrying silicon. To simplify, reaction 9 can be written as:

Si + 3HCl → SiHCl3 +H2
この反応の典型的な副生成物は、SiH2Cl2(DCS)およびSiCl4(STC)である。
Si + 3HCl → SiHCl3 + H2
Typical byproducts of this reaction are SiH2Cl2 (DCS) and SiCl4 (STC).

クロロシランガス15は、塩素処理領域12から堆積領域14へ積極的に運ばれる。シリコン27の堆積速度11は、塩素処理および堆積の領域12、14間の流量(すなわちガス交換速度)によって制御できる。装置10に接続され、塩素処理および堆積の領域12、14内でのおよびそこへのガス13、15の流れを制御するように構成されている制御システムによって、この流量を制御してもよい。あるいは、流量は、注入ガス13のH2対HClの比もしくは他の比によって制御できるし、または流量はフィラメント26の温度によって制御できる。堆積速度11は、塩素処理領域12内に設置されたシリコン−金属合金材料16の量、合金材料16の温度T、および/または合金材料16中のシリコンのwt%にも依存しうる。   The chlorosilane gas 15 is actively carried from the chlorination region 12 to the deposition region 14. The deposition rate 11 of the silicon 27 can be controlled by the flow rate (ie gas exchange rate) between the chlorination and deposition regions 12,14. This flow rate may be controlled by a control system connected to the apparatus 10 and configured to control the flow of gases 13, 15 in and into the chlorination and deposition regions 12, 14. Alternatively, the flow rate can be controlled by the H 2 to HCl ratio or other ratio of the injected gas 13, or the flow rate can be controlled by the temperature of the filament 26. The deposition rate 11 may also depend on the amount of silicon-metal alloy material 16 placed in the chlorination region 12, the temperature T of the alloy material 16, and / or the wt% of silicon in the alloy material 16.

上で述べたように、搬送ガス15中の気体状シリコンを、その後、堆積領域14内の加熱フィラメント26上に、高純度シリコン27として堆積させる。使用されうるフィラメント26の種類としては、限定されないが、シリコン、グラファイト、モリブデン、タングステンまたはタンタルのフィラメントが挙げられうる。フィラメント26は、そこへのシリコン27の後段の堆積11を可能にする任意の形状のものでありうる。フィラメント26の温度は、1000ないし1200℃の範囲内に制御されかつ維持される。簡略化すると、分解11は以下のようになりうる:
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl
この反応11の典型的な副生成物は、SiH2Cl2(DCS)およびSiCl4(STC)である。
As described above, gaseous silicon in the carrier gas 15 is then deposited as high purity silicon 27 on the heating filament 26 in the deposition region 14. Types of filaments 26 that can be used include, but are not limited to, silicon, graphite, molybdenum, tungsten, or tantalum filaments. Filament 26 may be of any shape that allows subsequent deposition 11 of silicon 27 thereon. The temperature of the filament 26 is controlled and maintained within the range of 1000 to 1200 ° C. To simplify, the decomposition 11 can be as follows:
SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl
Typical byproducts of this reaction 11 are SiH2Cl2 (DCS) and SiCl4 (STC).

さらに、シリコン−金属合金材料16は、塩素処理領域12内に、固定床の配置の形態で設置されてもよいし、移動床もしくは任意の他の種類の攪拌床の構成で設置されてもよい。プロセス9の間のシリコン−金属合金材料16の再装入が、塩素処理領域内の再装入口を使用して行われる場合もある。   Furthermore, the silicon-metal alloy material 16 may be installed in the chlorination region 12 in the form of a fixed bed arrangement, or may be installed in a moving bed or any other type of stirred bed configuration. . Recharging of the silicon-metal alloy material 16 during process 9 may be performed using a recharging inlet in the chlorination area.

金属−シリコン合金材料12の構造
一般に、2種類以上の固体の混合物(たとえば、金属−シリコン合金材料16(以下合金材料16と呼ぶ))の融点は、その成分元素A、Bの相対比率に依存する。図4、図5を参照のこと。合金材料16は、主たる/多い方の成分元素Bは金属(たとえば、銅Cu、ニッケルNi、鉄Fe、銀Ag、白金Pt、パラジウムPd、クロムCrおよび/またはこれらの組み合わせ)であり、少ない方の成分元素はシリコンSiを含んでいるそれであることが認められる。したがって、金属シリコン(Si)合金材料16は、合金構造114のうち、金属(たとえばCu)の体積割合と比べて小さい割合の体積(たとえば10−16%)をシリコンが占めている金属/シリコン合金として特徴付けることができる。
Structure of metal-silicon alloy material 12 Generally, the melting point of a mixture of two or more kinds of solids (for example, metal-silicon alloy material 16 (hereinafter referred to as alloy material 16)) depends on the relative proportions of the component elements A and B. To do. See FIG. 4 and FIG. In the alloy material 16, the main / major component element B is a metal (for example, copper Cu, nickel Ni, iron Fe, silver Ag, platinum Pt, palladium Pd, chromium Cr, and / or a combination thereof), and the smaller one It is recognized that the constituent element of is that containing silicon Si. Therefore, the metal silicon (Si) alloy material 16 is a metal / silicon alloy in which silicon occupies a volume (for example, 10-16%) of the alloy structure 114 that is smaller than the volume ratio of the metal (for example, Cu). Can be characterized as

共晶材料または共晶合金材料16は、融点が局部温度Tの最小値であるような比率にある混合物であり、これは、全ての成分元素A、Bが溶融液体Lの溶液からこの温度で同時に結晶化することを意味している。共晶合金材料16のこのような同時の結晶化は、共晶反応として知られており、それが起こる温度Tは共晶温度Tであり、それが起こる合金材料16の組成および温度は共晶点EPと呼ばれている。合金材料16に関して、これは、金属マトリックス/格子114における1種以上の元素A、Bの部分的または完全な固溶体として定義することができる(図5を参照のこと)。完全固溶体合金は単一固相の微視的構造を与える一方で、部分的な溶体は2相以上を与え、これらは熱(熱処理)履歴に依存するが分布が均質でありうる。合金材料16は成分元素A、Bのそれとは異なる物理的および/または化学的性質を有することが認められる。マトリックス/格子114に関して、これは、固体材料の明確に秩序だった成分A、Bの構造(たとえば、結晶または結晶性)として定義することができ、その成分A、Bは、原子、分子またはイオンとして、2つおよび/または3つ全ての空間的次元に広がる規則的な繰り返しパターンで配置している。   The eutectic material or the eutectic alloy material 16 is a mixture in which the melting point is in such a ratio that it is the minimum value of the local temperature T. This is because all the constituent elements A and B are from the solution of the molten liquid L at this temperature. It means to crystallize at the same time. Such simultaneous crystallization of the eutectic alloy material 16 is known as a eutectic reaction, the temperature T at which it occurs is the eutectic temperature T, and the composition and temperature of the alloy material 16 at which it occurs is eutectic. It is called point EP. With respect to the alloy material 16, this can be defined as a partial or complete solid solution of one or more elements A, B in the metal matrix / lattice 114 (see FIG. 5). Fully solid solution alloys give a single solid phase microscopic structure, while partial solutions give more than one phase, which depend on the thermal (heat treatment) history but can be homogeneous in distribution. It will be appreciated that the alloy material 16 has physical and / or chemical properties different from those of the component elements A, B. With respect to matrix / lattice 114, this can be defined as the structure (eg, crystalline or crystalline) of a clearly ordered component A, B of a solid material, where component A, B is an atom, molecule or ion As a regular repeating pattern extending in two and / or all three spatial dimensions.

共晶または亜共晶の金属−シリコン合金16は、この共晶または亜共晶合金16が、鋳造した合金を冷却した際に、過共晶合金の場合には観察されうるシリコンの微結晶120の形成を示さないという点で過共晶合金と区別されうる。この微結晶120の欠如は、共晶または亜共晶のシリコン−銅合金がたとえばここで説明したプロセス8のためのソース材料として使用される場合に利点を提供しうる。   The eutectic or hypoeutectic metal-silicon alloy 16 is a silicon crystallite 120 that can be observed in the case of a hypereutectic alloy when the eutectic or hypoeutectic alloy 16 cools the cast alloy. It can be distinguished from a hypereutectic alloy in that it does not show the formation of. This lack of microcrystals 120 may provide an advantage when eutectic or hypoeutectic silicon-copper alloys are used, for example, as a source material for process 8 described herein.

図4を参照すると、2種類の固体元素A、Bの混合物を含む二元系についての相平衡図の例が示されており、ここでは、共晶点EPは、液相Lが固相α+βに直接隣接している点である。したがって、相図115は、水平軸117に沿って元素AおよびBの相対重量濃度を、および垂直軸118に沿って温度Tをプロットしている。共晶点EPは、液相Lが固相α+β(たとえば、AおよびBの両方からなる均質混合物)に直接隣接している点であり、成分元素AおよびBの任意の考えられる合金の最小融解温度を表している。示している相図115は、二元系(すなわち、成分A、B)についてのものであることが認められるが、他の系(たとえば三元系A、B、Cおよびそれ以上)を使用して、多い方の成分元素(または元素グループ)Bとしての金属(または様々な金属の混合物)と組み合わせて、Siがたとえば少ない方の成分A中に含まれる(たとえば、Siが、1種以上の様々な金属「B」を含む主成分元素/元素グループと比べて少ない方の成分元素Aである)ように、合金材料16を定義できることが考えられる。合金材料16の例は、限定はされないが:シリコン−銅合金;シリコン−ニッケル合金;シリコン−鉄合金;シリコン−銀合金;シリコン−白金合金;シリコン−パラジウム合金;シリコン−クロム合金;および/またはこれらの組み合わせ(たとえば、Cu−Ni−Si合金)などである合金である。さらに、合金材料16は、シリコン成分Aの重量パーセント(wt%)組成が二元共晶系の平衡図115の共晶点EPの左手側にある亜共晶合金(すなわち、シリコンAの共晶重量パーセント(wt%)組成よりも小さなシリコンAの重量パーセント(wt%)組成を有する合金)でありうることが認められる。したがって、亜共晶合金が存在する如何なる点でも、その点での溶質(すなわちシリコンA)の濃度は、共晶点EPでの溶質(すなわちシリコンA)の濃度よりも小さい。さらに、合金材料16は、シリコン成分Aの重量パーセント(wt%)組成が二元共晶系の平衡図115の共晶点EPの右手側にある過共晶合金(すなわち、シリコンAの共晶重量パーセント(wt%)組成よりも大きなシリコンAの重量パーセント(wt%)組成を有する合金)でありうることが認められる。したがって、過共晶合金が存在する如何なる点でも、その点での溶質(すなわちシリコンA)の濃度は、共晶点EPでの溶質(すなわちシリコンA)の濃度よりも大きい。過共晶合金材料16は多相(たとえば二相)合金(たとえば不均質)であるとみなされ、一方亜共晶合金材料16は単相(たとえば一相)合金(たとえば均質)であるとみなされる。   Referring to FIG. 4, there is shown an example of a phase equilibrium diagram for a binary system including a mixture of two kinds of solid elements A and B, where the eutectic point EP is the liquid phase L is the solid phase α + β. It is a point that is directly adjacent to. Thus, phase diagram 115 plots the relative weight concentrations of elements A and B along horizontal axis 117 and temperature T along vertical axis 118. The eutectic point EP is the point where the liquid phase L is immediately adjacent to the solid phase α + β (eg, a homogeneous mixture of both A and B) and is the minimum melting of any possible alloy of the component elements A and B. It represents temperature. The phase diagram 115 shown is found to be for a binary system (ie, components A, B), but uses other systems (eg, ternary systems A, B, C and higher). In combination with the metal (or a mixture of various metals) as the higher component element (or element group) B, Si is contained in the lower component A (for example, Si is one or more kinds). It is conceivable that the alloy material 16 can be defined such that the component element A is smaller than the main component / element group including various metals “B”. Examples of alloy material 16 include, but are not limited to: silicon-copper alloy; silicon-nickel alloy; silicon-iron alloy; silicon-silver alloy; silicon-platinum alloy; silicon-palladium alloy; It is an alloy that is a combination of these (for example, Cu—Ni—Si alloy). Further, the alloy material 16 is a hypoeutectic alloy (that is, a eutectic of silicon A) on the left hand side of the eutectic point EP of the equilibrium diagram 115 in which the weight percent (wt%) composition of the silicon component A is a binary eutectic system. It will be appreciated that the alloy may have a weight percent (wt%) composition of silicon A that is less than the weight percent (wt%) composition. Thus, at any point where the hypoeutectic alloy is present, the concentration of the solute (ie, silicon A) at that point is less than the concentration of the solute (ie, silicon A) at the eutectic point EP. Further, the alloy material 16 is a hypereutectic alloy (that is, a eutectic of silicon A) in which the weight percentage (wt%) composition of the silicon component A is on the right-hand side of the eutectic point EP of the equilibrium diagram 115 of the binary eutectic system. It will be appreciated that the alloy may have a weight percent (wt%) composition of silicon A that is greater than the weight percent (wt%) composition. Accordingly, at any point where the hypereutectic alloy is present, the concentration of the solute (ie, silicon A) at that point is greater than the concentration of the solute (ie, silicon A) at the eutectic point EP. Hypereutectic alloy material 16 is considered to be a multiphase (eg, two-phase) alloy (eg, heterogeneous), while hypoeutectic alloy material 16 is considered to be a single-phase (eg, one-phase) alloy (eg, homogeneous). It is.

共晶または亜共晶のシリコン−金属合金16は、ソース材料16中のシリコン微結晶120の実質的非存在を少なくとも部分的に原因とする、鋳造合金が冷えたときのクラッキング122に対する抵抗力を有しうる(図7a、bを参照のこと)。クラッキング122の低減は、鋳造ピース16の内部への周囲空気および水分の到達を抑制することができ、それにより鋳造合金16が周囲の雰囲気に曝された際に酸素および/または水分の吸収を減らすことができる。これは、鋳造合金16の保管寿命を延ばすことができる。さらに、(周囲条件への曝露による劣化を原因とする)この合金材料16に導入された酸素または他の不純物の塩素処理領域12への放出を減らすことができ、それにより、たとえば、プロセスガス13中のクロロシラン混合物の純度を向上させるに役立ちかつ堆積シリコン27の純度を向上させるのに役立つ
金属−Si合金材料16
様々な金属シリコン合金材料が、搬送ガス15の製造およびシリコン27の堆積のための装置10において有用でありうることが認められる。たとえば、ニッケルシリコン、白金シリコン、クロムシリコン、および/または鉄シリコンは有用な合金でありうるし、ここで、金属シリコン合金材料16は、この合金材料16中のシリコンの重量パーセントがおおよそ共晶組成以下となるように選択されるように設計されている。シリコン晶子120の量が特定の最大晶子閾値以下であるように、金属シリコン合金材料16中のシリコンの重量パーセントが選択されることが認められる。特定の最大晶子閾値を上回る合金材料中の任意のシリコン重量パーセントが、晶子120および共晶マトリックス114の不適合な/相違する熱膨張特性のせいで合金材料の構造保全性にとって有害でありうるのに十分な数、大きさ、および分布の晶子120を導入することが認められる。既に論じたように、合金材料16中の晶子120の存在は、クラック122のせいで合金材料の構造保全性に有害であり、このクラックは特定の最大晶子閾値を上回る十分な数、大きさおよび/または分布の晶子120の存在のせいで生じる。
The eutectic or hypoeutectic silicon-metal alloy 16 provides resistance to cracking 122 when the cast alloy cools, due at least in part to the substantial absence of silicon microcrystals 120 in the source material 16. (See FIGS. 7a, b). Reduction of cracking 122 can suppress the arrival of ambient air and moisture into the interior of the casting piece 16, thereby reducing oxygen and / or moisture absorption when the cast alloy 16 is exposed to the ambient atmosphere. be able to. This can extend the shelf life of the cast alloy 16. In addition, the release of oxygen or other impurities introduced into the alloy material 16 (due to degradation due to exposure to ambient conditions) into the chlorinated region 12 can be reduced, for example, the process gas 13 Metal-Si alloy material 16 which serves to improve the purity of the chlorosilane mixture in the metal and to help improve the purity of the deposited silicon 27
It will be appreciated that various metal silicon alloy materials may be useful in the apparatus 10 for the production of the carrier gas 15 and the deposition of the silicon 27. For example, nickel silicon, platinum silicon, chromium silicon, and / or iron silicon can be useful alloys, where the metal silicon alloy material 16 has a weight percentage of silicon in the alloy material 16 that is approximately equal to or less than the eutectic composition. Designed to be selected to be It will be appreciated that the weight percent of silicon in the metal silicon alloy material 16 is selected such that the amount of silicon crystallite 120 is below a certain maximum crystallite threshold. Even though any silicon weight percentage in the alloy material above a certain maximum crystallite threshold can be detrimental to the structural integrity of the alloy material due to incompatible / different thermal expansion properties of the crystallite 120 and eutectic matrix 114 It is observed that a sufficient number, size, and distribution of crystallites 120 are introduced. As already discussed, the presence of crystallites 120 in alloy material 16 is detrimental to the structural integrity of the alloy material due to cracks 122, which cracks are sufficient in number, size and above the specified maximum crystallite threshold. This occurs due to the presence of crystallites 120 in the distribution.

また、金属シリコン合金材料16がマトリックス114中に2種類以上の金属、たとえば銅、ニッケル、クロム、白金、鉄、金および/または銀を含む群より選択される2種類以上の金属の任意の組み合わせなどを有することができることも認められる。さらに、(たとえば、2種類以上の金属の場合)金属シリコン合金材料16の銅が、シリコンを含む他の全ての合金成分の中でも最も大きい重量パーセントでありうることが認められる。   Also, any combination of two or more metals selected from the group in which the metal silicon alloy material 16 includes two or more metals in the matrix 114, such as copper, nickel, chromium, platinum, iron, gold and / or silver. It is also recognized that they can have Furthermore, it will be appreciated that the copper of the metal silicon alloy material 16 may be the largest weight percent of all other alloy components including silicon (eg, for two or more metals).

図6を参照すると、金属クロムシリコン合金材料16についての共晶性および範囲の例が示されている。   Referring to FIG. 6, an example of eutecticity and range for a metallic chromium silicon alloy material 16 is shown.

Cu−Si合金材料16の例
合金材料16の更なる例は、多少複雑な相図115を形成し、少なくとも1つの共晶点EPが知られており(Siは約16wt%であり、Tm=800℃)、幾つかの金属間相が形成される、銅CuおよびシリコンSiである。金属間相の中で最も顕著なのは、Cu3Siからなる(温度に応じて所定の相の幅(phase width)を有する)イータ相である。Cu3Si金属間相の融点はT=859℃と報告されている。過共晶範囲(たとえば、Si濃度が約16wt%を上回る範囲)では、銅CuおよびシリコンSiは純シリコンSiまでの濃度範囲全体にわたって液相で完全に混和するが、冷却の間、シリコンSiが分散型の晶子120の形態(数ミリメートルの長さの針状または板状)で結晶化し、これは共晶合金材料16のマトリックス114中に埋没する。イータ相未満の濃度範囲(すなわち、Siが約16wt%未満である亜共晶組成)では、少なくとも5種類の追加の金属間化合物が知られているが、それらの殆どは高温範囲についてのみ確認されている。
Example of Cu-Si Alloy Material 16 A further example of alloy material 16 forms a somewhat more complicated phase diagram 115, where at least one eutectic point EP is known (Si is about 16 wt%, Tm = 800 ° C), copper Cu and silicon Si, in which several intermetallic phases are formed. The most prominent among the intermetallic phases is an eta phase made of Cu3Si (having a predetermined phase width depending on the temperature). The melting point of the Cu3Si intermetallic phase is reported to be T = 859 ° C. In the hypereutectic range (eg, the range where the Si concentration is greater than about 16 wt%), copper Cu and silicon Si are fully miscible in the liquid phase throughout the concentration range up to pure silicon Si, but during cooling, the silicon Si is It crystallizes in the form of a dispersed crystallite 120 (needle or plate with a length of a few millimeters), which is buried in the matrix 114 of the eutectic alloy material 16. In the concentration range below the eta phase (ie, the hypoeutectic composition with Si less than about 16 wt%), at least five additional intermetallic compounds are known, most of which have been identified only for the high temperature range. ing.

いずれにしても、Cu−Si合金材料16は、Siが約16wt%の範囲内にある場合には共晶合金材料、Siが約16wt%ないし99wt%の範囲内にある場合には過共晶合金材料、およびSiが1wt%ないし約16wt%の範囲内にある場合には亜共晶合金材料と定義することができる。以下でさらに説明するように、塩素処理−堆積システム10Siの塩素処理チャンバ12での使用のためのCu−Si合金材料16は、たとえば限定はされないが;1−16%、4−16%、5−16%、6−16%、7−16%、8−16%、9−16%、10−16%、11−16%、12−16%、13−16%、14−16%、1−15%、4−15%、5−15%、6−15%、7−15%、8−15%、9−15%、10−15%、11−15%、12−15%、13−15%、14−15%などの範囲内にある共晶点EP未満の重量パーセントのそれであって、合金材料16中でのマトリックス/格子114以外のシリコンとしてのシリコン晶子120(すなわち、自由シリコン)の形成を制限するかまたは抑制する。晶子120がCu−Siマトリックス114以外に生じる析出物であると見なされうることが認められる(すなわち、過剰なシリコン(約16重量%を超える)がCu−Siマトリックス114中に不溶であり、それゆえにこのマトリック114以外に晶子120を形成する)。   In any case, the Cu—Si alloy material 16 is an eutectic alloy material when Si is in the range of about 16 wt%, and hypereutectic when Si is in the range of about 16 wt% to 99 wt%. An alloy material can be defined as a hypoeutectic alloy material when Si is in the range of 1 wt% to about 16 wt%. As described further below, the Cu-Si alloy material 16 for use in the chlorination chamber 12 of the chlorination-deposition system 10Si is, for example, without limitation; 1-16%, 4-16%, 5 -16%, 6-16%, 7-16%, 8-16%, 9-16%, 10-16%, 11-16%, 12-16%, 13-16%, 14-16%, 1 -15%, 4-15%, 5-15%, 6-15%, 7-15%, 8-15%, 9-15%, 10-15%, 11-15%, 12-15%, 13 A silicon crystallite 120 as a silicon other than the matrix / lattice 114 in the alloy material 16 (ie, free silicon) in a weight percent less than the eutectic point EP in the range of -15%, 14-15%, etc. ) Formation or restriction. It is recognized that the crystallite 120 can be considered to be a precipitate that occurs outside of the Cu—Si matrix 114 (ie, excess silicon (greater than about 16% by weight) is insoluble in the Cu—Si matrix 114); Therefore, a crystallite 120 is formed in addition to this matrix 114).

たとえば、約12wt%Siの亜共晶合金材料16の場合、合金材料16中に存在する自由シリコン(すなわち晶子120)は皆無かまたは実際上それに近い。シリコンのwt%が共晶点EPのそれ(たとえば約16wt%)に達すると、構成する純(native)シリコンは原子ストリングス(atomic strings)中に4wt%まで存在することができ、均質合金混合物に寄与する(すなわち、純シリコンが共晶構造114内に散在しており、それ故に均質混合物を単相の均質混合物とみなすことができる)。共晶点EPのシリコンのwt%(たとえば、約16wt%)を超えると、過剰なシリコンは純シリコン晶子20として固化し、多相不均質混合物(すなわち、共晶材料114およびシリコン晶子120を含むもの)のうちの1相として分散する。したがって、共晶点EPのシリコンのwt%(たとえば、約16wt%)より低いwt%のシリコンを有する合金材料は、単一相の合金材料16とみなすことができる。   For example, in the case of a hypoeutectic alloy material 16 of about 12 wt% Si, there is no free silicon (ie, crystallite 120) present in the alloy material 16 or practically close to it. When the wt% of silicon reaches that of the eutectic point EP (eg about 16 wt%), the constituent native silicon can be present up to 4 wt% in the atomic strings, resulting in a homogeneous alloy mixture. Contributes (ie, pure silicon is interspersed within the eutectic structure 114 and thus a homogeneous mixture can be considered a single phase homogeneous mixture). Exceeding wt% (eg, about 16 wt%) of silicon at the eutectic point EP, excess silicon solidifies as pure silicon crystallites 20 and includes a multiphase heterogeneous mixture (ie, eutectic material 114 and silicon crystallites 120). Disperse as one phase of the Thus, an alloy material having a wt% silicon lower than the wt% (eg, about 16 wt%) silicon of the eutectic point EP can be considered a single phase alloy material 16.

不均質に対する均質に関して、均質混合物は1つの相を有するが、溶質Aおよび溶媒Bは変化しうる。混合物は、広義では、物理的に同じ位置にあるが化学的に結合していない2種類以上の物質であり、それゆえに比は必ずしも考慮されない。不均質混合物は、機械的に分離することができる2種類以上の成分の混合物として定義することができる。   With respect to homogeneity relative to heterogeneity, a homogeneous mixture has one phase, but solute A and solvent B can vary. A mixture is, in a broad sense, two or more substances that are physically in the same position but not chemically bonded, and therefore the ratio is not necessarily taken into account. A heterogeneous mixture can be defined as a mixture of two or more components that can be mechanically separated.

たとえば2種類の純銅系合金材料16、7%の亜共晶シリコン含有量の第1の合金材料16と、22%の過共晶シリコン含有量の第2のそれとを考えてみよう。合金液体の冷却速度は低くて、固化の間の短時間拡散によってこれら相の間に平衡が成立することが想定される。亜共晶合金材料16の構造は、純銅マトリックス114中に散在した微細な共晶Siのネットワークから構成されている。対照的に、過共晶合金材料16が冷めた後、材料の構造は、純銅および共晶Siを含むマトリックス114としての共晶相のそれとは別種の相として散在する主たるシリコン結晶120からなる。   For example, consider two pure copper alloy materials 16, a first alloy material 16 with a hypoeutectic silicon content of 7% and a second with a hypereutectic silicon content of 22%. The cooling rate of the alloy liquid is low, and it is assumed that equilibrium is established between these phases by short-time diffusion during solidification. The structure of the hypoeutectic alloy material 16 is composed of a fine eutectic Si network scattered in the pure copper matrix 114. In contrast, after the hypereutectic alloy material 16 cools, the material structure consists of the main silicon crystals 120 interspersed as a separate phase from that of the eutectic phase as a matrix 114 containing pure copper and eutectic Si.

さらに、銅を含有する合金材料16の場合、合金材料16の外面における原子的にシリコンまたは他の元素(たとえば、マトリックス114中でシリコンと結合しているもの)と原子的に化合している銅の存在は、搬送ガス15を生じさせるシリコンと注入ガス13との反応を促進する(たとえば、原子的に結合している銅は、シリコンと注入ガス13との間の反応のための触媒として働く)ことが認められる。さらに、銅は、自由な状態(たとえば純銅)ではなく、むしろマトリックス114の中にあるので、搬送ガス15の不純物としての銅の混入を抑制することができることが認められる。   Further, in the case of alloy material 16 containing copper, copper that is atomically combined with silicon or other elements (eg, bonded to silicon in matrix 114) on the outer surface of alloy material 16 The presence of promotes the reaction between the silicon and the injection gas 13 that produces the carrier gas 15 (eg, atomically bonded copper acts as a catalyst for the reaction between the silicon and the injection gas 13). ). Furthermore, since copper is not in a free state (eg, pure copper) but rather in the matrix 114, it can be seen that copper contamination as an impurity in the carrier gas 15 can be suppressed.

過共晶ではない合金材料16の利点
過共晶として説明される合金材料16は、共晶材料相114およびシリコン晶子120(たとえばSi晶子120)を有する多相合金の存在に関連することが認められる。
Advantages of non-hypereutectic alloy material 16 It is recognized that the alloy material 16 described as hypereutectic is related to the presence of a multiphase alloy having a eutectic material phase 114 and a silicon crystallite 120 (eg, Si crystallite 120). It is done.

前に説明したように、図7a、図7bを参照すると、過共晶合金材料16の場合、大きな粒径のシリコン晶子120が合金材料16の共晶マトリックス114成分/相の至るところに散在している。この不均質多相合金混合物は、塩素処理−堆積システム10の内側および外側の両方での合金材料16のさらなる使用および挙動に関して重大な結果を招く。たとえば、合金材料16の鋳造プロセス、たとえばシステム10での後段の使用のための合金材料16の製造の間、第1にシリコン晶子120が生じ、それらが共晶金属−シリコンのマトリックス114中に埋没する。シリコン晶子120は、共晶金属−シリコンのマトリックス114と比べると異なる熱膨張係数を有しており、その結果、鋳造プロセスの間の共晶固化点(たとえば、Cu−Siの場合Tm=800℃)から室温までの合金材料16の冷却の間に、共晶金属−シリコンのマトリックス114中にクラックおよび微視的クラックが形成しうる。これら微視的クラック122は、それがたとえば不活性雰囲気中で保管されない限り、鋳造合金材料16の進行酸化をもたらしうる。通常の雰囲気下では、合金材料16の保管寿命は制限されて、ある期間後には合金材料16の鋳造ピースの分解および崩壊をもたらしうる。   As previously described, with reference to FIGS. 7 a and 7 b, in the case of hypereutectic alloy material 16, large grain size silicon crystallites 120 are scattered throughout the eutectic matrix 114 component / phase of alloy material 16. ing. This heterogeneous multiphase alloy mixture has serious consequences for further use and behavior of the alloy material 16 both inside and outside the chlorination-deposition system 10. For example, during the casting process of the alloy material 16, for example, during the manufacture of the alloy material 16 for later use in the system 10, silicon crystallites 120 are first generated and embedded in the eutectic metal-silicon matrix 114. To do. Silicon crystallite 120 has a different coefficient of thermal expansion compared to eutectic metal-silicon matrix 114, so that the eutectic solidification point during the casting process (eg, Tm = 800 ° C. for Cu-Si). During the cooling of the alloy material 16 from room temperature to room temperature, cracks and microscopic cracks may form in the eutectic metal-silicon matrix 114. These microscopic cracks 122 can lead to progressive oxidation of the cast alloy material 16 unless it is stored, for example, in an inert atmosphere. Under normal atmosphere, the shelf life of the alloy material 16 is limited, and after a period of time can result in the decomposition and collapse of the cast piece of the alloy material 16.

さらに、連続的な酸化を原因とする過共晶合金材料16中の高められた酸素レベルは、(塩素処理−堆積プロセス8の間に合金材料16から得られる)堆積された高純度シリコン27における酸素濃度の上昇をもたらしうる。さらに、塩素処理プロセス9の塩素処理領域12における通常の動作温度下での注入ガス13への曝露の間、過共晶金属−シリコン材料15は膨潤しうる(たとえば、熱膨張によっておよび/またはクラック122を介しての合金材料16への注入ガス13の浸透によって膨張しうる)し、合金材料16の体積は約2倍に増加しうる。さらに、合金材料16の膨張は、より小さなピース124、126を生じさせうるものであり、それにより、合金材料16の物理的形態が多少不安定な材料の形態であるスポンジ状に変性し、これは、塩素処理プロセスガス13および塩素処理9の関連する塩素処理温度Tに繰り返し曝されると容易に崩れ落ちうる(すなわち粉末化しうる)。過共晶合金材料16の膨潤/分解は、塩素処理−堆積システム10におけるダストおよび粒子124の形成をさらにもたらしうるものであり、これはガス流15によって運ばれる場合があり、精製したシリコン27の純度に悪影響を与えうる。最悪な場合、粒子124は堆積されたシリコン27自体の中に入り込みうる。過共晶合金材料16を使用することのさらなる欠点は、貧化した合金材料16がそのスポンジ状のせいで容易に酸化されて粉末状になりうるものであり、それにより再溶融/再使用のために集めるのが難しくなりうることにある。   Furthermore, the increased oxygen level in the hypereutectic alloy material 16 due to continuous oxidation is in the deposited high purity silicon 27 (obtained from the alloy material 16 during the chlorination-deposition process 8). May cause an increase in oxygen concentration. Furthermore, the hypereutectic metal-silicon material 15 may swell (eg, by thermal expansion and / or cracking) during exposure to the inlet gas 13 under normal operating temperatures in the chlorination region 12 of the chlorination process 9. The volume of the alloy material 16 can be increased by a factor of about two. Furthermore, the expansion of the alloy material 16 can result in smaller pieces 124, 126, whereby the physical form of the alloy material 16 is modified into a sponge form, which is a somewhat unstable material form. Can easily collapse (ie, be powdered) upon repeated exposure to the chlorination temperature T associated with the chlorination process gas 13 and the chlorination 9. Swelling / decomposition of the hypereutectic alloy material 16 may further result in the formation of dust and particles 124 in the chlorination-deposition system 10, which may be carried by the gas stream 15 and of the purified silicon 27. May adversely affect purity. In the worst case, the particles 124 can penetrate into the deposited silicon 27 itself. A further disadvantage of using the hypereutectic alloy material 16 is that the poor alloy material 16 can be easily oxidized and powdered due to its sponge form, thereby remelting / reusing. Because it can be difficult to collect.

たとえば、Cu−Si合金材料として体現される合金材料16に関して、共晶または亜共晶の銅−シリコン材料16が鋳造プロセスの冷却の間のクラック122の発生を抑制し、形成した共晶または亜共晶の銅−シリコン材料16が空気または他の環境条件に曝されて酸化剤および/または水分がこの共晶または亜共晶の銅−シリコン材料16に到達したときの酸素および/または水分の吸収を抑制しうる点で、この共晶または亜共晶の銅−シリコン材料16の構造は過共晶合金から区別される。このクラック122の防止は、鋳造材料16の保管寿命を延ばすことができ、さらに、過共晶合金の場合には任意のクラック22中にトラップされて塩素処理プロセス9の間に放出されうる、酸素またはプロセス8に関する他の不純物の量を減らすことができる。   For example, with respect to the alloy material 16 embodied as a Cu-Si alloy material, the eutectic or hypoeutectic copper-silicon material 16 suppresses the formation of cracks 122 during cooling of the casting process and the formed eutectic or sub-eutectic material. Oxygen and / or moisture when the eutectic copper-silicon material 16 is exposed to air or other environmental conditions and the oxidant and / or moisture reaches the eutectic or hypoeutectic copper-silicon material 16. The structure of this eutectic or hypoeutectic copper-silicon material 16 is distinguished from hypereutectic alloys in that absorption can be suppressed. This prevention of cracks 122 can extend the shelf life of the casting material 16 and, in the case of a hypereutectic alloy, oxygen that can be trapped in any crack 22 and released during the chlorination process 9. Alternatively, the amount of other impurities associated with process 8 can be reduced.

共晶または亜共晶の銅−シリコン合金材料16の場合、(過共晶合金材料の場合に形成される)埋没するシリコン晶子120の欠如は、塩素処理反応器のプロセス9での使用に幾つかの重要な結果を招く。プロセス9の間にシリコンが過共晶合金材料16中の晶子120から抽出される場合、大きな空隙またはキャビティ122(すなわち膨張したクラック122)が生じ、プロセスガス13が合金材料16の塊の中に浸透しうる。これは、合金材料16の膨潤/膨張をもたらしうるものであり、合金材料16の部分的な/完全な崩壊または粉末化を引き起こしうる。この崩壊は、以下にさらに説明する所望されない不純物を制御するための合金材料16のフィルタ効果を低めうるものであり、それにより塩素処理−堆積プロセスの精製プロセス8をあまり効率のよくないものにしうる。   In the case of eutectic or hypoeutectic copper-silicon alloy material 16, the lack of buried silicon crystallite 120 (formed in the case of hypereutectic alloy material) has several implications for use in process 9 of the chlorination reactor. With important consequences. When silicon is extracted from the crystallites 120 in the hypereutectic alloy material 16 during the process 9, large voids or cavities 122 (ie expanded cracks 122) are created and the process gas 13 is in the mass of the alloy material 16. It can penetrate. This can lead to swelling / expansion of the alloy material 16 and can cause partial / complete disintegration or powdering of the alloy material 16. This collapse can reduce the filtering effect of the alloy material 16 to control unwanted impurities, further described below, thereby making the purification process 8 of the chlorination-deposition process less efficient. .

図8を参照すると、共晶の銅−シリコン合金材料16(約16wt%のシリコン)の酸化挙動を過共晶合金材料128(40wt%シリコン)の酸化挙動と比較している。類似した形状(8×8×1.5cm)の合金材料の2つのピース16、128を通常の研究室雰囲気中で保管し、材料の重量130を時間132の関数として測定した。プレーンの銅のピース134を参照試料として使用した。過共晶合金128は、進行性酸化を表す連続的な重量増加を示した。約3ヶ月以内に、1gよりも大きい重量増加が測定され、これは合金材料128の元の総重量の約0.2%であった(約6ないし12ヶ月後、過共晶ピース128は普通に分解して崩れ落ちた)。同時に、共晶銅−シリコンピース16は大きな重量増加を全く示さず、これは、共晶材料16の中実で、クラックを含まない構造によって説明されうる。   Referring to FIG. 8, the oxidation behavior of the eutectic copper-silicon alloy material 16 (approximately 16 wt% silicon) is compared to the oxidation behavior of the hypereutectic alloy material 128 (40 wt% silicon). Two pieces 16, 128 of similar shaped (8 × 8 × 1.5 cm) alloy material were stored in a normal laboratory atmosphere and the material weight 130 was measured as a function of time 132. A plain copper piece 134 was used as a reference sample. The hypereutectic alloy 128 showed a continuous weight increase representing progressive oxidation. Within about 3 months, a weight gain greater than 1 g was measured, which was about 0.2% of the original total weight of the alloy material 128 (after about 6 to 12 months, the hypereutectic piece 128 is normal Disintegrated and collapsed). At the same time, the eutectic copper-silicon piece 16 does not show any significant weight gain, which can be explained by a solid, crack-free structure of the eutectic material 16.

合金材料16の形成
図12を参照すると、合金材料15の製造プロセスのために使用される鋳造装置200の一例が示されており、これによると、測定した百分率量の化合した金属およびシリコンを含有した液体材料202を、合金材料16の所望の物理形状の中空キャビティを提供する型204に流し込む。次に、溶融液体材料202を制御した温度で固化させて、合金材料16の所望の共晶または亜共晶のマトリックス114(図7a,b/図9a,bを参照のこと)を提供する。さらに、合金材料16の一体型のマトリック114の性質(たとえば、多結晶構造として特徴付けられるもの)を最大限に活用すると共に、晶子120の形成を最小にする(図7aを参照のこと)ように、冷却プロセスを制御する。固化した合金材料16は鋳造品としても知られており、205から押し出されるかまたは型204から取り出されて、プロセスが完了する。
Formation of Alloy Material 16 Referring to FIG. 12, an example of a casting apparatus 200 used for the manufacturing process of the alloy material 15 is shown, which contains a measured percentage amount of combined metal and silicon. The liquid material 202 is poured into a mold 204 that provides a hollow cavity of the desired physical shape of the alloy material 16. The molten liquid material 202 is then solidified at a controlled temperature to provide the desired eutectic or hypoeutectic matrix 114 of the alloy material 16 (see FIGS. 7a, b / FIGS. 9a, b). In addition, to make the best use of the integral matrix 114 nature of the alloy material 16 (eg, characterized as a polycrystalline structure) and to minimize the formation of crystallites 120 (see FIG. 7a). And control the cooling process. The solidified alloy material 16 is also known as a casting and is either extruded from 205 or removed from the mold 204 to complete the process.

また、図13を参照すると、好ましい実施形態によれば、共晶または亜共晶の金属−シリコン合金材料16が鋳造プロセス220によって製造され、このプロセスはシリコンが貧化した合金材料16のための再鋳造プロセスとして変更することもできる。このプロセスでは、シリコン、たとえばm.g.シリコンを金属(たとえば銅)と共にまたは亜共晶のシリコン−銅混合物(たとえば、貧化した合金材料16)と共に溶融させる。この溶融は、シリコン−銅溶融物202に耐えかつ追加の不純物を溶融物へ不都合に導入することがない黒鉛るつぼまたは任意のるつぼ材料内で行うことができる。次に、溶融物202を型204、好ましくは、排他的ではないが、黒鉛型204に流し込み、(たとえば型204の付形により)定義された形状および幾何の所望の共晶または亜共晶の合金材料16を形成する。より高いシリコン濃度の金属−シリコン合金、たとえば過共晶組成とは対照的に、共晶または亜共晶の材料16は、この材料は応力なしで冷却できるので、広範な様々な形状(ブリック、スラブ、薄板)に鋳造できる。たとえば、鋳造の冷却プロセスは、気孔(gas porosity)、収縮欠陥、型用材料の欠陥、流し込み材料の欠陥、および/または冶金学的な/マトリックス114の欠陥を最小にする/抑制するように構成されている。また、合金材料16の物理形態/形状は、装置10の固定床または流動床反応器(たとえば領域12)のために構成されうることが認められる。   Referring also to FIG. 13, according to a preferred embodiment, a eutectic or hypoeutectic metal-silicon alloy material 16 is produced by a casting process 220, which is a process for silicon-poor alloy material 16. It can also be modified as a recast process. In this process, silicon, such as m. g. Silicon is melted with a metal (eg, copper) or with a hypoeutectic silicon-copper mixture (eg, a poor alloy material 16). This melting can take place in a graphite crucible or any crucible material that can withstand the silicon-copper melt 202 and does not adversely introduce additional impurities into the melt. The melt 202 is then poured into a mold 204, preferably, but not exclusively, a graphite mold 204 (for example, by shaping the mold 204) of the desired eutectic or hypoeutectic of the defined shape and geometry. An alloy material 16 is formed. In contrast to higher silicon concentration metal-silicon alloys, such as hypereutectic composition, eutectic or hypoeutectic material 16 can be cooled without stress, so a wide variety of shapes (brick, Can be cast into slabs and thin plates. For example, the casting cooling process may be configured to minimize / suppress gas porosity, shrinkage defects, mold material defects, casting material defects, and / or metallurgical / matrix 114 defects. Has been. It will also be appreciated that the physical form / shape of the alloy material 16 may be configured for a fixed bed or fluidized bed reactor (eg, region 12) of the apparatus 10.

したがって、合金材料16を鋳造して、所望の物理形態、たとえば、化学気相領域12の容易な装入を可能にしかつ定義された比の閾値を上回る選択された表面136対体積比を好ましくは提供する、ブリック、プレート、顆粒、塊、ペブルまたは任意の他の形状にすることができる。   Thus, the alloy material 16 is preferably cast to provide a desired physical form, for example, a selected surface 136 to volume ratio that allows easy loading of the chemical vapor region 12 and exceeds a defined ratio threshold. Provided can be brick, plate, granule, mass, pebble or any other shape.

さらに、鋳造した共晶または亜共晶のピース16にそれを蒸気ガス製造のために使用する前に表面処理を施してもよいし、またはそれらを直接使用してもよい。考えられる表面処理としては、鋳造プロセスの間に形成しうるあらゆる表面汚染物質またはあらゆる酸化皮膜を除去するための、たとえばサンドブラストまたは化学エッチングが挙げられる。   In addition, the cast eutectic or hypoeutectic piece 16 may be surface treated before it is used for steam gas production, or they may be used directly. Possible surface treatments include, for example, sand blasting or chemical etching to remove any surface contaminants or any oxide film that may form during the casting process.

たとえば、共晶または亜共晶のブリック、スラブまたはプレート(または必要とされるのであれば如何なる形状でも)を、塩素処理反応器12でのクロロシランの製造のためのソース材料16として使用することができる。   For example, eutectic or hypoeutectic bricks, slabs or plates (or any shape if required) may be used as source material 16 for the production of chlorosilanes in chlorination reactor 12. it can.

合金材料16の再鋳造
図13を参照すると、(それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下の選択された重量パーセントのシリコンを有する金属シリコン合金材料16を製造するための)再鋳造プロセス220であって、プロセス9(図3を参照のこと)において予定された量のシリコンを共晶または亜共晶の材料16から抽出したのちに行われるプロセスが示されている。亜共晶および/または共晶の材料16の場合の合金材料16中に存在する晶子120の実質的非存在(たとえば欠如)によるクラック形成122の抑制のおかげで合金材料16がその構造保全性を保持できるので、貧化したスラブ、ブリックもしくはプレートまたは他の物理形態の合金材料16は、塩素処理領域12から取り出すことができる。製造されるクロロシラン流13または堆積されるポリシリコン27のそれぞれにおいて必要とされる純度レベルに応じて、貧化した材料16を再溶融させ、追加のシリコンと混合させて、塩素処理プロセス9でのさらなる使用のための未使用の共晶または亜共晶の材料16を形成してもよい。貧化した材料16の再循環物の数は、個々の不純物についての閾値と使用するmg.シリコンの不純物レベルとに依存しうる。
Recasting Alloy Material 16 Referring to FIG. 13, (for producing a metal silicon alloy material 16 having a selected weight percent silicon below the eutectic weight percent of silicon defined for each metal silicon alloy). A recast process 220 is shown that is performed after extracting a predetermined amount of silicon from eutectic or hypoeutectic material 16 in process 9 (see FIG. 3). In the case of hypoeutectic and / or eutectic material 16, the alloy material 16 provides its structural integrity thanks to the suppression of crack formation 122 due to the substantial absence (eg, lack) of crystallites 120 present in the alloy material 16. Because it can be retained, the depleted slab, brick or plate or other physical form of the alloy material 16 can be removed from the chlorination region 12. Depending on the purity level required in each of the produced chlorosilane stream 13 or the deposited polysilicon 27, the depleted material 16 is remelted and mixed with additional silicon to produce a chlorination process 9 Unused eutectic or hypoeutectic material 16 may be formed for further use. The number of recycles of the depleted material 16 depends on the threshold for individual impurities and the mg. It can depend on the impurity level of the silicon.

工程222では、貧化した金属シリコン合金材料16の原子マトリックス114におけるシリコンの濃度が、この金属シリコン合金材料16の外表面136からこの金属シリコン合金材料16の内部140へかけて増加し、それにより、貧化した材料における外表面136に隣接するシリコンの重量パーセントがそれぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコン範囲の亜共晶重量パーセント以下となるように、貧化した金属シリコン合金材料16を溶融することが行われる。工程224では、シリコン(たとえば金属グレードシリコン)を貧化した金属シリコン合金材料16(たとえば溶融したもの、固体または部分的に溶融した形態のものの何れか)に添加して、得られる溶融材料のシリコンの含有重量パーセントを高め、それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコンの選択された重量パーセントにする。工程226では、溶融合金材料を鋳造して、装置10の化学蒸気発生領域(図1を参照のこと)への再発生に好適な固体金属シリコン合金材料16を製造する。任意の工程228は、鋳造した金属シリコン合金材料16の表面処理である。   In step 222, the concentration of silicon in the atomic matrix 114 of the depleted metal silicon alloy material 16 increases from the outer surface 136 of the metal silicon alloy material 16 to the interior 140 of the metal silicon alloy material 16, thereby Melting the poor metal silicon alloy material 16 such that the weight percent of silicon adjacent to the outer surface 136 in the poor material is less than or equal to the hypoeutectic weight percent of the silicon range defined for each metal silicon alloy. To be done. In step 224, silicon (eg, metal grade silicon) is added to the depleted metal silicon alloy material 16 (eg, either in a molten, solid or partially molten form) to obtain the resulting molten material silicon. Is increased to a selected weight percent of silicon below the eutectic weight percent of silicon defined for each metal silicon alloy. In step 226, the molten alloy material is cast to produce a solid metal silicon alloy material 16 suitable for re-generation into the chemical vapor generation region (see FIG. 1) of the apparatus 10. Optional step 228 is a surface treatment of the cast metal silicon alloy material 16.

表面処理(たとえば、表面上に溜まった金属塩化物を洗い落とすなど)を、亜共晶合金に行うことができることが認められる。過共晶では、これは、スポンジ状構造、すなわち議論したようにクラック122の形成のせいで行うことができないであろう。鋳造プロセスの結果としての合金材料16中に含有された不純物についての閾値に応じて、表面処理が行われたり行われなかったりしうる。さらに、鋳造の間、酸化物および/または炭化物のスラッグ除去(slagging-off)を、合金材料16の表面処理として行うことができる。   It will be appreciated that surface treatment (eg, washing away metal chlorides accumulated on the surface) can be performed on the hypoeutectic alloy. With hypereutectic, this would not be possible due to the formation of a spongy structure, ie, crack 122 as discussed. Depending on the threshold value for impurities contained in the alloy material 16 as a result of the casting process, surface treatment may or may not be performed. Furthermore, oxide and / or carbide slagging-off may be performed as a surface treatment of the alloy material 16 during casting.

合金材料12のフィルタ効果
図3、図9a、図9bを参照すると、過共晶合金材料16(すなわち晶子120を含んでいる,図7aを参照のこと)の場合、材料16の膨潤が、ガス13の流れに影響を与えるまたはこれを妨げ、(膨張/クラック形成のせいによる)合金材料16の分解からの粉末および粒子の放出が、搬送ガス15へ不純物/汚染物質を導入することがあり、これは堆積シリコン27を汚染しうる。
Filter Effect of Alloy Material 12 Referring to FIGS. 3, 9a, and 9b, in the case of a hypereutectic alloy material 16 (ie, containing crystallites 120, see FIG. 7a), the swelling of material 16 is a gas The flow of powder and particles from the decomposition of the alloy material 16 (due to expansion / crack formation) may introduce impurities / contaminants into the carrier gas 15 This can contaminate the deposited silicon 27.

共晶または亜共晶の銅−シリコン(すなわち晶子120が実質的に存在しない,図7aを参照のこと)の場合、合金材料16のピースは、膨潤もしないしその形状を見かけ上変化させることもなく、それにより、クラック122の形成/広がりと、結果的に生じる合金材料16の物理的保全性の分解および/または崩壊とを防ぐ。したがって、注入/プロセスガス13との反応は、亜共晶または共晶材料16の表面136上で起こる。シリコンは、銅−シリコン中で、他の金属元素よりも著しく速い攪拌速度を有することが知られているので、合金材料16中に残ったあらゆる不純物に対して効率的なフィルタ効果を得ることができ、これらの元素(すなわち、合金材料16中のSiまたは任意の他の考えられる不純物元素)のみ表面136に拡散しプロセスガス13と反応することができる。   In the case of eutectic or hypoeutectic copper-silicon (ie substantially free of crystallite 120, see FIG. 7a), the piece of alloy material 16 does not swell or appears to change its shape. Nonetheless, it prevents the formation / spreading of the crack 122 and the resulting degradation and / or collapse of the physical integrity of the alloy material 16. Thus, the reaction with the implantation / process gas 13 occurs on the surface 136 of the hypoeutectic or eutectic material 16. Since silicon is known to have a significantly faster agitation rate in copper-silicon than other metal elements, an efficient filter effect can be obtained for any impurities remaining in the alloy material 16. Only these elements (ie, Si in the alloy material 16 or any other possible impurity element) can diffuse to the surface 136 and react with the process gas 13.

したがって、マトリックス114は、合金材料16中(たとえば、さらには、銅およびシリコンを有するマトリックス114中)の不純物のフィルタまたはゲッターと見なすことができ、これは、搬送ガス生成9のための温度および他の動作パラメータが、合金材料16を通しての考えられる不純物原子(たとえば、Cr、Fe、O2、N2、ホウ素、リンなど)の拡散よりも優先的な(すなわち規模がより大きい)マトリックス中でのシリコンの拡散を提供するからである。それゆえに、マトリックス114は、注入ガス13とのシリコン反応の化学的/金属学的プロセスの間にゲッター/フィルタとして働いて、それがなければ搬送ガス15に入り込むであろう不純物を吸収する。合金マトリックス114中でのシリコンの拡散/移動速度は、プロセス9の温度および/またはマトリックス114中のSiの濃度勾配(たとえば、マトリックス114中のSiの濃度は、注入ガス13との反応によってこの合金材料16の表面付近で最初に貧化し、それにより、合金材料16の外表面と内部との間にマトリックス114中のシリコンについての濃度勾配が生じる)などの多くのパラメータに依存することも認められる。   Thus, the matrix 114 can be viewed as a filter or getter of impurities in the alloy material 16 (eg, further in the matrix 114 with copper and silicon), which can be considered as a temperature and other for the carrier gas generation 9. Operating parameters of silicon in a matrix preferential (ie, larger in scale) than the diffusion of possible impurity atoms (eg, Cr, Fe, O 2, N 2, boron, phosphorus, etc.) through the alloy material 16. Because it provides diffusion. Therefore, the matrix 114 acts as a getter / filter during the chemical / metallurgical process of the silicon reaction with the injection gas 13 and absorbs impurities that would otherwise enter the carrier gas 15. The diffusion / migration rate of silicon in the alloy matrix 114 depends on the temperature of the process 9 and / or the concentration gradient of Si in the matrix 114 (for example, the concentration of Si in the matrix 114 depends on the reaction with the injection gas 13. It is also observed that it depends on a number of parameters, such as initial degradation near the surface of the material 16, thereby creating a concentration gradient for silicon in the matrix 114 between the outer surface and the inner surface of the alloy material 16. .

原子拡散は拡散プロセスであり、それにより、固体材料16中の原子のランダムな熱活性化運動が原子の正味の移動をもたらす。移動の速度は、拡散係数および濃度勾配138によって左右される。マトリックス114の結晶固体状態では、結晶格子114内でのSiの拡散は、格子間メカニズムおよび/または置換型メカニズムの何れかによって起こり、格子拡散と呼ばれる。格子間拡散では、拡散物質(たとえば、金属−Si合金中のSi)は他の結晶元素の格子構造の間に拡散する。置換式格子拡散(たとえば自己拡散)では、Si原子はマトリックス114中の他の原子と場所を交換することによって移動しうる。置換式格子拡散は、多くの場合、結晶格子114全体にわたる空格子点の利用能に依存する。迅速であり、本質的にランダムな飛躍(ジャンプ拡散)によって、拡散するSi原子はマトリックス114中の空格子点から空格子点へ移動する。   Atomic diffusion is a diffusion process whereby the random thermal activation of atoms in the solid material 16 results in a net transfer of atoms. The speed of movement depends on the diffusion coefficient and concentration gradient 138. In the crystalline solid state of the matrix 114, Si diffusion within the crystal lattice 114 occurs by either interstitial and / or substitutional mechanisms and is referred to as lattice diffusion. In interstitial diffusion, a diffusing material (eg, Si in a metal-Si alloy) diffuses between the lattice structures of other crystalline elements. In substitutional lattice diffusion (eg, self-diffusion), Si atoms can move by exchanging locations with other atoms in matrix 114. Substitutional lattice diffusion often depends on the availability of vacancies throughout the crystal lattice 114. Due to rapid and essentially random jumps (jump diffusion), the diffusing Si atoms move from vacancies in the matrix 114 to vacancies.

空格子点の普及率(prevalence)はアレニウスの式にしたがって増加するので、結晶固体状態の拡散の速度は温度と共に上昇しうる。欠陥のない結晶マトリックス114中の単一の原子に対して、Si原子の移動は、「ランダムウォーク」モデルによって説明できる。三次元では、長さαのn回のジャンプののち、原子が平均して予め定義した距離を移動するであろうことが示される。多結晶マトリックス114材料16中のSiの原子拡散は、短絡拡散メカニズムを含みうる。たとえば、粒界および転位などの或る結晶114欠陥に沿ってより開いた空間が存在し、それによりSi元素の拡散のためのより低い活性化エネルギーを許容する。それゆえに、多結晶114材料16における原子拡散は、多くの場合、格子と粒界拡散係数との組み合わせである有効拡散係数を使用してモデル化される。一般に、表面拡散は粒界拡散よりも非常に速く起こり、粒界拡散は格子拡散よりも非常に速く起こる。   Since the prevalence of vacancies increases according to the Arrhenius equation, the rate of diffusion of the crystalline solid state can increase with temperature. For a single atom in a defect-free crystal matrix 114, the movement of Si atoms can be explained by a “random walk” model. In three dimensions, it is shown that after n jumps of length α, the atoms will travel on average a predefined distance on average. The atomic diffusion of Si in the polycrystalline matrix 114 material 16 can include a short-circuit diffusion mechanism. For example, there are more open spaces along certain crystal 114 defects such as grain boundaries and dislocations, thereby allowing lower activation energy for diffusion of Si elements. Therefore, atomic diffusion in polycrystalline 114 material 16 is often modeled using an effective diffusion coefficient that is a combination of lattice and grain boundary diffusion coefficients. In general, surface diffusion occurs much faster than grain boundary diffusion, and grain boundary diffusion occurs much faster than lattice diffusion.

それゆえに、シリコンは、他の不純物元素(搬送ガス15中への導入/混入が望ましくない元素)よりも、金属−シリコン中で著しく速い拡散速度を有することが知られているので、遅く移動する方の不純物元素はバルク材料16中にトラップされ、マトリックス14中のシリコンは反応のための表面136へ優先的に拡散する。過剰なシリコン(すなわち晶子120)を有する合金とは対照的に、マトリックス114からのシリコン元素が貧化すると、マトリックス114中には、大きな空洞(たとえばクラック122)ではなく、カーケンドル空隙のみが主に形成する。表面シリコンとプロセスガス13との反応は、濃度勾配138を生じさせ、それにより表面136への方向にシリコンを拡散させる。表面136で入手可能なリシコンの量は固体状態拡散の速度によって定義されるので、プロセス9の温度が低過ぎる場合には表面136での未使用シリコンの補充が低過ぎとなるように、塩素処理プロセス9の間の温度Tは適切に選択される。温度が高すぎる場合、十分な量のシリコンと共に、不純物がマトリックス114を通って移動し、定義された不純物閾値を越える濃度で搬送ガス15中に望まれずに含まれることがある。原理的に、プロセス9は、200℃から合金材料16の融点(たとえば、Cu−Si合金の場合、共晶合金材料16の融点Tmpは約800℃である)までの間にあるいかなる温度でも動作することができる。たとえば、200℃が、シリコンの拡散が定義された最低拡散閾値未満となるところの下限温度境界の一例でありうる。   Therefore, silicon moves slower because it is known to have a significantly faster diffusion rate in metal-silicon than other impurity elements (elements that are not desired to be introduced / mixed into the carrier gas 15). The impurity element is trapped in the bulk material 16 and the silicon in the matrix 14 preferentially diffuses to the surface 136 for reaction. In contrast to alloys with excess silicon (i.e. crystallite 120), when elemental silicon from matrix 114 becomes poor, only the Kirkendle voids are predominantly in matrix 114, not large cavities (e.g. cracks 122). Form. The reaction between the surface silicon and the process gas 13 creates a concentration gradient 138, thereby diffusing the silicon in the direction toward the surface 136. Since the amount of lysicon available at surface 136 is defined by the rate of solid state diffusion, the chlorination is such that if the temperature of process 9 is too low, the replenishment of unused silicon at surface 136 will be too low. The temperature T during the process 9 is appropriately selected. If the temperature is too high, with a sufficient amount of silicon, impurities may move through the matrix 114 and may be undesirably included in the carrier gas 15 at a concentration that exceeds a defined impurity threshold. In principle, Process 9 operates at any temperature between 200 ° C. and the melting point of alloy material 16 (eg, for a Cu—Si alloy, eutectic alloy material 16 has a melting point Tmp of about 800 ° C.). can do. For example, 200 ° C. may be an example of a lower temperature boundary where silicon diffusion is below a defined minimum diffusion threshold.

所望される金属シリコン合金材料16(たとえばCu−Si)の場合、およそ共晶または亜共晶の合金材料16を、加熱手段6によって、トリクロロシランまたは他のガス13の形成のためには選択された温度範囲(たとえば、250℃−550℃、300℃−500℃、350℃−450℃、375℃−425℃、250℃−300℃、350℃−550℃、250℃−300℃、400℃−500℃、400℃−550℃)の間まで加熱し、四塩化ケイ素または他のガス13が好ましい場合にはより高い温度(たとえば、450℃−Tmp、500℃−Tmp、550℃−Tmp、600℃−Tmp、650℃−Tmp、700℃−Tmp、750℃−Tmp、800℃−Tmp)まで加熱する。プロセス9の圧力は、たとえば、1−6barの範囲内にありうる。さらに、他の金属シリコン合金材料16(Cu−Si以外)構造においてマトリックス114を通してのシリコンの拡散を促進する/最大にするように、温度および圧力のプロセスパラメータを調節することができる。   In the case of the desired metal silicon alloy material 16 (eg Cu—Si), an approximately eutectic or hypoeutectic alloy material 16 is selected for the formation of trichlorosilane or other gas 13 by the heating means 6. Temperature range (for example, 250 ° C-550 ° C, 300 ° C-500 ° C, 350 ° C-450 ° C, 375 ° C-425 ° C, 250 ° C-300 ° C, 350 ° C-550 ° C, 250 ° C-300 ° C, 400 ° C -500 ° C, 400 ° C-550 ° C) and higher temperatures (eg, 450 ° C-Tmp, 500 ° C-Tmp, 550 ° C-Tmp, if silicon tetrachloride or other gas 13 is preferred) 600 ° C-Tmp, 650 ° C-Tmp, 700 ° C-Tmp, 750 ° C-Tmp, 800 ° C-Tmp). The pressure of the process 9 can be in the range of 1-6 bar, for example. In addition, temperature and pressure process parameters can be adjusted to promote / maximize the diffusion of silicon through matrix 114 in other metal silicon alloy material 16 (other than Cu-Si) structures.

堆積シリコン27の性質
図14a、bを参照すると、共晶銅−シリコンをソース材料として使用して(12a)および過共晶合金を使用して(シリコン濃度30%、12b)精製されたシリコン27の抵抗率が示されている。それぞれ過共晶または共晶の銅−シリコン合金材料16を使用することによって塩素処理領域12で製造したクロロシラン(すなわちトリクロロシラン)を分解させることによって、シリコン27を熱いフィラメント上に堆積させた。堆積後、ポリシリコンのロッド27を切断して切片にし、4点プローブによって半径方向の抵抗率プロファイル250を測定した。(注:50/100オームcmよりも大きな抵抗率値は50/100オームcmとした。なぜなら、バルクの抵抗率が測定できるところまでの範囲をこれが大まかに示すからである;50/100オームcmを上回ると、表面条件および粒界の影響が顕著になる。)共晶の銅−シリコンは、過共晶のそれよりも著しく優れたフィルタ効果/ゲッタリング効果を示し、抵抗率値250は堆積されたシリコン27の厚さ全体にわたって実質的に一定であった。平均的に、共晶材料から堆積させた材料は、材料スライスの選択された厚さTの場所で、過共晶材料から堆積させたシリコン27の抵抗率と比較して約一桁大きい抵抗率を示す。(記:第1の3−4mmの半径のところは、シリコンは堆積しておらず、元のフィラメントである)。したがって、少なくとも部分的にプロセス9の間のマトリックス114のフィルタリング効果のおかげで、堆積させたシリコン27の抵抗率は、この堆積させたシリコン27の厚さ全体にわたって、選択された最小抵抗率閾値よりも上に保たれることが認められる。
Properties of Deposited Silicon 27 Referring to FIGS. 14a, b, purified silicon 27 using eutectic copper-silicon as the source material (12a) and hypereutectic alloy (silicon concentration 30%, 12b). The resistivity is shown. Silicon 27 was deposited on the hot filament by decomposing chlorosilane (ie, trichlorosilane) produced in the chlorinated region 12 by using a hypereutectic or eutectic copper-silicon alloy material 16 respectively. After deposition, the polysilicon rod 27 was cut into sections and the radial resistivity profile 250 was measured with a four-point probe. (Note: Resistivity values greater than 50/100 ohm-cm were 50/100 ohm-cm because this roughly indicates the range to which bulk resistivity can be measured; 50/100 ohm-cm Above this, the effects of surface conditions and grain boundaries become significant.) Eutectic copper-silicon exhibits a much better filter / gettering effect than that of hypereutectic, and a resistivity value of 250 is deposited. Was substantially constant throughout the thickness of the etched silicon 27. On average, a material deposited from a eutectic material has a resistivity that is about an order of magnitude greater than the resistivity of silicon 27 deposited from a hypereutectic material at a selected thickness T location of the material slice. Indicates. (Note: The first 3-4 mm radius has no silicon deposited and is the original filament). Thus, thanks to the filtering effect of the matrix 114 during process 9 at least in part, the resistivity of the deposited silicon 27 is greater than the selected minimum resistivity threshold throughout the thickness of this deposited silicon 27. Are also allowed to remain on top.

装置10の動作例
図3、図10を参照すると、シリコンを精製するための装置10(図3を参照のこと)を使用する方法230の例が示されており、この例は:注入ガス13を、それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料16と反応させる工程232と;金属シリコン合金材料16の原子マトリックス114から得られるシリコンを含む化学蒸気搬送ガス15を生成させる工程234と;シリコンの堆積を促進するように構成されたフィラメント16へ蒸気搬送ガス15を流す工程236と;化学蒸気搬送ガス15からフィラメント上へと精製された形態でシリコン27を堆積させる工程とを含んでいる。
Example Operation of Apparatus 10 Referring to FIGS. 3 and 10, an example of a method 230 using the apparatus 10 (see FIG. 3) for purifying silicon is shown, which is: injected gas 13 Reacting with a metal silicon alloy material 16 having a silicon weight percent less than or equal to the eutectic weight percent of silicon defined for each metal silicon alloy; and silicon obtained from the atomic matrix 114 of the metal silicon alloy material 16 Producing a chemical vapor carrier gas 15 containing; flowing 236 the vapor carrier gas 15 through the filament 16 configured to promote silicon deposition; purified from the chemical vapor carrier gas 15 onto the filament Depositing silicon 27 in the form.

図3、図11を参照すると、シリコン堆積11によるシリコン精製における使用のための化学蒸気搬送ガス15を製造する方法の例240が示されており、この例は:注入ガス13を、それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料16と反応させる工程242と;金属シリコン合金材料16の原子マトリックス114から得られるシリコンを含む化学気相搬送ガス15を生成させる工程244と;蒸気搬送ガス15を後段のシリコン堆積11での使用のために排出する工程246工程とを含んでいる。   Referring to FIGS. 3 and 11, an example 240 of a method for producing a chemical vapor carrier gas 15 for use in silicon purification by silicon deposition 11 is shown, which example: injection gas 13 for each metal Reacting 242 with a metal silicon alloy material 16 having a silicon weight percent less than or equal to the eutectic weight percent of silicon defined for the silicon alloy; and chemical vapor transport comprising silicon obtained from the atomic matrix 114 of the metal silicon alloy material 16 A step 244 of generating a gas 15; and a step 246 of discharging the vapor carrier gas 15 for use in the subsequent silicon deposition 11.

プロセス8前後での合金材料16の結果の例
図9a、bを参照すると、蒸気生成プロセス9(図1を参照のこと)に施される前後での共晶銅−シリコンピース16の概略的な微視的構造が示されている。図9aでは、鋳造後、共晶の銅−シリコン合金材料16は、均一な組成である(たとえば、銅マトリック14中にシリコンが均質に分布している単一相)。図9bでは、塩素処理領域12でのシリコンの抽出後:共晶(または亜共晶組成の場合はこれと類似したもの)がそのまま残っており、合金材料16は、領域12に挿入されたその元の形状を見かけ上変えていない。合金材料16からシリコンの抽出の間、図9aでは、シリコンが合金材料16の表面136にマトリックス14を通って拡散し、ここで注入ガス13と反応する。蒸気生成プロセスの要件に関してシリコンが実質的に貧化すると、マトリックス中のシリコンの濃度が合金材料16の外表面から合金材料14の内部140(たとえば、中央領域)にかけて増加するような、マトリックス14に内在するシリコン残留物の勾配138を合金材料16は含む。
Example Results of Alloy Material 16 Before and After Process 8 Referring to FIGS. 9a and 9b, a schematic of eutectic copper-silicon piece 16 before and after being subjected to a steam generation process 9 (see FIG. 1). A microscopic structure is shown. In FIG. 9a, after casting, the eutectic copper-silicon alloy material 16 has a uniform composition (eg, a single phase with a homogeneous distribution of silicon in the copper matrix 14). In FIG. 9b, after the extraction of silicon in the chlorinated region 12, the eutectic (or similar in the case of a hypoeutectic composition) remains intact, and the alloy material 16 has been inserted into the region 12 The original shape has not changed apparently. During the extraction of silicon from the alloy material 16, in FIG. 9 a, silicon diffuses through the matrix 14 to the surface 136 of the alloy material 16 where it reacts with the injected gas 13. When the silicon is substantially depleted with respect to the requirements of the vapor generation process, the matrix 14 has a concentration such that the concentration of silicon in the matrix increases from the outer surface of the alloy material 16 to the interior 140 (eg, the central region) of the alloy material 14. The alloy material 16 includes an inherent silicon residue gradient 138.

合金材料16の内部140での何らかのシリコン晶子の存在(図7aを参照のこと)は、合金材料16を通って拡散し、注入ガス13との後段の相互作用のための表面136に達するに違いないであろう。したがって、元々マトリックス14に内在していたSiの表面136への拡散(たとえばマトリックス拡散)のおよび注入ガス13との後段の相互作用の速度は、元々マトリックス14に内在していなかったSi(たとえば晶子120,図7aを参照のこと)の表面136への拡散(たとえば材料拡散)の速度および注入ガス13との後段の相互作用とは異なるであろうことが認められる。所定の場合には、晶子120中のSiとの間の所望の相互作用は、上で説明した膨張/クラック生成による合金材料16の分解によって優先的に起こりうるものであり、そのため、必ずしも合金材料16を通しての拡散によるものではない(すなわち、クラックが埋没している晶子120を注入ガス13に曝す)。   The presence of any silicon crystallites in the interior 140 of the alloy material 16 (see FIG. 7a) must diffuse through the alloy material 16 and reach the surface 136 for subsequent interaction with the injected gas 13. There will be no. Therefore, the rate of diffusion of Si originally in the matrix 14 into the surface 136 (eg, matrix diffusion) and the subsequent interaction with the implanted gas 13 is similar to that of Si (eg, crystallites) that were not originally in the matrix 14. 120, see FIG. 7a), it will be appreciated that the rate of diffusion to the surface 136 (eg, material diffusion) and the subsequent interaction with the injected gas 13 will be different. In certain cases, the desired interaction with the Si in the crystallite 120 can preferentially occur due to the decomposition of the alloy material 16 by expansion / crack formation as described above, and thus is not necessarily an alloy material. This is not due to diffusion through 16 (that is, the crystallite 120 in which the crack is buried is exposed to the injection gas 13).


以下の例は、クロロシランガス13の製造9でのおよびその後段の高純度シリコン27の製造11での使用のための共晶および亜共晶の銅−シリコン合金材料16の性質および挙動を説明する。これらは単に例であって、何ら限定するものではなく、特に、金属シリコンマトリック114以外の過剰なシリコン(たとえば、析出した晶子120)の定義された非存在を有する所望の金属シリコンの亜共晶および共晶の合金材料16の精神を順守して金属シリコン合金材料16において使用できる様々な金属を意味する。
Examples The following examples illustrate the properties and behavior of eutectic and hypoeutectic copper-silicon alloy materials 16 for use in chlorosilane gas 13 production 9 and subsequent production 11 of high purity silicon 27. To do. These are merely examples and are not intended to be limiting in any way, in particular the desired metal silicon hypoeutectic having a defined absence of excess silicon other than the metal silicon matrix 114 (eg, precipitated crystallites 120). And various metals that can be used in the metal silicon alloy material 16 in compliance with the spirit of the eutectic alloy material 16.

例1
共晶銅−シリコン(8×8×1.5cm)のスラブを鋳造し、重量を測定して、それを大気(通所の研究室雰囲気)に曝した。比較として、40wt%シリコンのシリコン濃度を有し寸法が類似した過共晶のスラブを鋳造して、前記共晶のそれと同じように処理した。参照として、純銅のプレートを使用した。3つの異なるピースの重量を3ヶ月の期間にわたって測定した(図8を参照のこと)。過共晶合金スラブは、時間の経過と共に連続した重量の増加を示した(3ヵ月後、重量は1グラムよりも大きく増加し、このピースの初期重量は約400gであった)が、共晶銅−シリコンでは著しい変化は認められなかった。これは過共晶合金が酸素および/または水分を連続的に吸収することを示しており、増加した重量の量は連続的な酸化が起こっていることを示している。鋳造した過共晶合金スラブの顕微鏡写真は、微視的なクラックの激しいネットワークを示し、これは酸化のための大きな表面を提供する。さらに、酸化は体積変化/膨張をもたらし、これがより多くのクラックを生じさせ、それによりさらなる酸化を促進することが想定されうる。共晶(さらには亜共晶)の材料は鋳造の間に優先的に微視的クラックを形成しないので、酸化は、スラブ16の表面自体でのみ起こりえて、材料16のバルクの中には浸透しない。
Example 1
A eutectic copper-silicon (8 × 8 × 1.5 cm) slab was cast, weighed, and exposed to the atmosphere (conventional laboratory atmosphere). For comparison, a hypereutectic slab having a silicon concentration of 40 wt% silicon and similar dimensions was cast and treated in the same manner as that of the eutectic. As a reference, a pure copper plate was used. The weight of three different pieces was measured over a period of 3 months (see FIG. 8). The hypereutectic alloy slab showed a continuous weight increase over time (after 3 months, the weight increased more than 1 gram and the initial weight of this piece was about 400 g). No significant change was observed with copper-silicon. This indicates that the hypereutectic alloy continuously absorbs oxygen and / or moisture, and the increased amount of weight indicates that continuous oxidation is occurring. The micrograph of the cast hypereutectic alloy slab shows a severe network of microscopic cracks, which provides a large surface for oxidation. Furthermore, it can be assumed that the oxidation leads to a volume change / expansion which causes more cracks and thereby promotes further oxidation. Since eutectic (and even hypoeutectic) materials do not preferentially form microcracks during casting, oxidation can only occur on the surface of the slab 16 itself and penetrate into the bulk of the material 16. do not do.

例2
共晶および過共晶(30wt%のシリコン)組成の2つのスラブに通常の大気を曝し、特別な処理は適用しなかった。約6ヶ月の保管期間のあと、過共晶スラブはその保全性を失って崩れ落ち、共晶スラブは変化せず、その固体構造を見かけ上では維持していた。
Example 2
Two atmospheres were exposed to two slabs of eutectic and hypereutectic (30 wt% silicon) composition and no special treatment was applied. After a storage period of about 6 months, the hypereutectic slab lost its integrity and collapsed, and the eutectic slab did not change and apparently maintained its solid structure.

例3
3mmの厚さおよび20×10cmの長さの共晶のプレートを黒鉛鋳型で鋳造した。このプレートはクラックを含まないで製造することができた。比較として、類似した幾何の過共晶プレート(30wt%および40wt%)は常に深刻なクラック形成と破断とをもたらし、これは共晶マトリックス114に散在する晶子120との異なる熱膨張係数とを原因とする応力によって少なくとも部分的に生じた。
Example 3
A eutectic plate 3 mm thick and 20 × 10 cm long was cast in a graphite mold. This plate could be manufactured without cracks. By way of comparison, similar geometry hypereutectic plates (30 wt% and 40 wt%) always resulted in severe crack formation and breakage due to different thermal expansion coefficients from the crystallites 120 interspersed in the eutectic matrix 114. Caused at least partially by the stress

例4
8×8×1.5cmの大きさの共晶スラブ(ブリック)を塩素処理反応器内に設置した(“Method and Apparatus for Silicon Refinement”の出願を参照のこと)。共晶の銅スラブの総量は40kgであり、プロセスガスとの反応の間の塩素処理反応器内の温度は300ないし400℃の範囲内にあった。製造したクロロシランをさらなる精製なしに堆積反応器内に送った(“Method and Apparatus for Silicon Refinement”の出願を参照のこと)。90時間の期間をかけて、4kgのシリコンを共晶スラブから抽出し、別の堆積チャンバ内に設置した加熱シリコンフィラメント上に堆積させた。平均堆積速度は44g/時であった。堆積後、4点プローブを使用して、堆積させたポリシリコンロッドの半径方向の抵抗率プロファイルを測定した。半径全体にわたって、抵抗率は100オームcm以上の範囲内にあり、これは共晶の銅−シリコンによる非常に効率的な不純物ゲッタリングを示している(図12aを参照のこと)。塩素処理全体にかけて、共晶の銅−シリコンスラブは、その物理的形状に見かけ上変化がなく、このプロセスの後、それらは完全に無傷であり、それらの物理的な構造保全性を保持していた。
Example 4
An eutectic slab (brick) measuring 8 × 8 × 1.5 cm was placed in the chlorination reactor (see “Method and Apparatus for Silicon Refinement” application). The total amount of eutectic copper slab was 40 kg and the temperature in the chlorination reactor during the reaction with the process gas was in the range of 300-400 ° C. The produced chlorosilane was sent into the deposition reactor without further purification (see “Method and Apparatus for Silicon Refinement” application). Over a 90 hour period, 4 kg of silicon was extracted from the eutectic slab and deposited on a heated silicon filament placed in a separate deposition chamber. The average deposition rate was 44 g / hour. After deposition, the radial resistivity profile of the deposited polysilicon rod was measured using a four point probe. Throughout the radius, the resistivity is in the range of 100 ohm cm and above, indicating very efficient impurity gettering with eutectic copper-silicon (see FIG. 12a). Throughout the chlorination process, eutectic copper-silicon slabs have no apparent change in their physical shape, and after this process they are completely intact and retain their physical structural integrity. It was.

比較として、40wt%シリコンの過共晶合金を類似した方法で鋳造し、同様の塩素処理プロセス9において温度およびガス組成に関して類似した条件下で使用した。使用した過共晶合金の重量は26kgであった。製造したクロロシランをさらなる精製なしに堆積プロセス11内へ送った。総量で5.4kgのシリコンを堆積させ、平均の堆積速度は46g/時間であった。堆積させたポリシリコンの半径にわたっての対応する抵抗率プロファイルは、特にスライスのエッジに向けて著しく低い抵抗率を示した(図12b)。これは、電気的に活性な不純物(すなわち、化学分析によって確かめられるようなホウ素)に対するゲッタリング効果が、過共晶合金の場合、共晶および/または亜共晶のそれと比べて低いことを明らかに示している。塩素処理プロセスの間、過共晶スラブは膨潤し、その大部分が崩れ落ちて、激しい量の粉末を形成した。   As a comparison, a 40 wt% silicon hypereutectic alloy was cast in a similar manner and used in similar chlorination process 9 under similar conditions with respect to temperature and gas composition. The weight of the hypereutectic alloy used was 26 kg. The produced chlorosilane was sent into the deposition process 11 without further purification. A total of 5.4 kg of silicon was deposited, with an average deposition rate of 46 g / hour. The corresponding resistivity profile across the deposited polysilicon radius showed a significantly lower resistivity, especially towards the edge of the slice (FIG. 12b). This reveals that the gettering effect on electrically active impurities (ie boron as confirmed by chemical analysis) is lower in hypereutectic alloys than in eutectics and / or hypoeutectics. It shows. During the chlorination process, the hypereutectic slab swelled and most of it collapsed to form a violent amount of powder.

例5
亜共晶スラブ(イータ相,12wt%のシリコン)を鋳造して、塩素処理反応器内に設置した。塩素処理の間の温度は、270ないし450℃の範囲内にあった。54kgの亜共晶の銅−シリコンを使用した。製造したクロロシランをさらなる精製なしに堆積反応器の中に送った。117時間のうちに、4kgのポリシリコンを加熱フィラメント上に堆積させた。亜共晶スラブはその形状を変化させず、シリコンの抽出後、スラブの保全性は完全に得られた。実質的な粉末化も膨潤も認められなかった。
Example 5
A hypoeutectic slab (Eta phase, 12 wt% silicon) was cast and placed in a chlorination reactor. The temperature during chlorination was in the range of 270-450 ° C. 54 kg of hypoeutectic copper-silicon was used. The produced chlorosilane was sent into the deposition reactor without further purification. Within 117 hours, 4 kg of polysilicon was deposited on the heated filament. The hypoeutectic slab did not change its shape, and the integrity of the slab was completely obtained after the silicon extraction. Neither substantial powdering nor swelling was observed.

本発明を例示的実施形態および例を参照しながら説明してきたが、この説明が限定的な意味で解釈されることを意図していない。したがって、この説明を参照すれば、例示した実施形態の様々な変更、および本発明の他の実施形態は当業者に明らかにであろう。これは、特に、正確には実施形態または例において説明したものではないが、共晶または亜共晶の組成に近いかまたはその間にあるあらゆる組成のあらゆる銅−シリコン組成物を含む。   While this invention has been described with reference to illustrative embodiments and examples, this description is not intended to be construed in a limiting sense. Accordingly, with reference to this description, various modifications of the illustrated embodiments, and other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art. This includes, in particular, any copper-silicon composition of any composition that is close to or in between the eutectic or hypoeutectic composition, although not exactly as described in the embodiments or examples.

本発明を例示的実施形態および例を参照しながら説明してきたが、この説明が限定的な意味で解釈されることを意図していない。したがって、この説明を参照すれば、例示した実施形態の様々な変更、および本発明の他の実施形態は当業者に明らかにであろう。それゆえに、添付する特許請求の範囲がこのような変更または実施形態を包含することが考えられる。さらに、請求項の全てはそれにより好ましい実施形態の説明に参照によって組み込まれる。   While this invention has been described with reference to illustrative embodiments and examples, this description is not intended to be construed in a limiting sense. Accordingly, with reference to this description, various modifications of the illustrated embodiments, and other embodiments of the invention will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, it is contemplated that the appended claims will encompass such modifications or embodiments. Moreover, all of the claims are hereby incorporated by reference into the description of the preferred embodiments.

ここで参照したあらゆる刊行物、特許および特許出願は、各個々の刊行物、特許または特許出願が、参照することによりその全体が組み込まれていることが明確に且つ個々に示されているかのように、参照することによりそれらの全体が組み込まれている。   Any publications, patents, and patent applications referred to herein are expressly and individually indicated as though each individual publication, patent or patent application was incorporated by reference in its entirety. All of which are incorporated by reference.

Claims (24)

シリコンを精製する方法であって:
それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料と注入ガスを反応させることと;
前記金属シリコン合金材料の原子マトリックスから得られるシリコンを含む化学蒸気搬送ガスを生成させることと;
シリコン堆積を促進するように構成されたフィラメントに前記蒸気搬送ガスを流すことと;
前記化学蒸気搬送ガスから前記フィラメント上に精製された形態でシリコンを堆積させること
を含む方法。
A method for purifying silicon comprising:
Reacting the implant gas with a metal silicon alloy material having a silicon weight percent less than or equal to the silicon eutectic weight percent defined for each metal silicon alloy;
Generating a chemical vapor carrier gas comprising silicon obtained from an atomic matrix of the metal silicon alloy material;
Flowing the vapor carrier gas through a filament configured to promote silicon deposition;
Depositing silicon in purified form on the filament from the chemical vapor carrier gas.
前記シリコンの重量パーセントは或る重量パーセント範囲である請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the silicon weight percent is in a weight percent range. 前記金属として銅を使用する前記金属シリコン合金について、前記重量パーセント範囲は、約8ないし約16重量パーセントシリコンである請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein for the metal silicon alloy using copper as the metal, the weight percent range is from about 8 to about 16 weight percent silicon. 前記蒸気搬送ガスはクロロシランを含み、前記金属シリコン合金は前記金属として銅を使用する請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the vapor carrier gas comprises chlorosilane and the metal silicon alloy uses copper as the metal. 前記注入ガスは塩化水素、水素または塩化水素および水素の組み合わせを含む請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein the injection gas comprises hydrogen chloride, hydrogen or a combination of hydrogen chloride and hydrogen. 前記銅シリコン合金は金属グレードシリコンである請求項5に記載の方法。   The method of claim 5, wherein the copper silicon alloy is metal grade silicon. 前記金属シリコン合金の前記金属は:銅;ニッケル;鉄;銀;白金;パラジウム;およびクロムからなる群より選択される請求項2に記載の方法。   The method of claim 2, wherein the metal of the metal silicon alloy is selected from the group consisting of: copper; nickel; iron; silver; platinum; 前記銅シリコン合金は約1ないし約16重量パーセントのシリコンを含む請求項3に記載の方法。   The method of claim 3, wherein the copper silicon alloy comprises about 1 to about 16 weight percent silicon. 前記シリコン−銅合金は約10ないし約16重量のシリコンを含む請求項8に記載の方法。   The method of claim 8, wherein the silicon-copper alloy comprises about 10 to about 16 weight silicon. 前記銅シリコン合金材料は制御された合金材料温度にある請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein the copper silicon alloy material is at a controlled alloy material temperature. 前記制御された合金材料温度は、前記銅シリコン合金材料の最小拡散閾値温度と融点温度との間にある請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the controlled alloy material temperature is between a minimum diffusion threshold temperature and a melting point temperature of the copper silicon alloy material. 前記制御された合金材料温度は約300℃の温度と約500℃との間にある請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the controlled alloy material temperature is between about 300 ° C. and about 500 ° C. 前記金属シリコン合金材料の外表面と前記金属シリコン合金材料の内部との間にシリコン濃度勾配を生じさせ、前記注入ガスによる消費のために、前記金属シリコンマトリックスを通しての前記外表面へのシリコンの原子拡散を促進することをさらに含む請求項1に記載の方法。   A silicon concentration gradient is created between the outer surface of the metal silicon alloy material and the interior of the metal silicon alloy material, and silicon atoms to the outer surface through the metal silicon matrix for consumption by the implanted gas. The method of claim 1, further comprising facilitating diffusion. 前記金属シリコン合金材料中のシリコン晶子の存在が定義された晶子閾値未満である請求項13に記載の方法。   14. The method of claim 13, wherein the presence of silicon crystallites in the metal silicon alloy material is less than a defined crystallite threshold. 前記定義された晶子閾値は、前記金属合金中の亜共晶重量パーセントのシリコンの性質である請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, wherein the defined crystallite threshold is a property of hypoeutectic weight percent silicon in the metal alloy. 前記定義された晶子閾値は、前記金属合金中の共晶重量パーセントのシリコンの性質である請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, wherein the defined crystallite threshold is a property of eutectic weight percent silicon in the metal alloy. 前記金属シリコン合金材料中に存在する定義された不純物成分のためのゲッターとして働く前記金属シリコン合金材料をさらに含む請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, further comprising the metal silicon alloy material acting as a getter for a defined impurity component present in the metal silicon alloy material. 前記定義された不純物成分のフィルタリングは、定義された最小抵抗率閾値を超えている抵抗率を堆積シリコンの厚さ全体にわたって有する精製シリコンの製造を促進する請求項17に記載の方法。   The method of claim 17, wherein the filtering of the defined impurity component facilitates the production of purified silicon having a resistivity that exceeds a defined minimum resistivity threshold throughout the thickness of the deposited silicon. 前記堆積シリコンについて、材料スライスの選択された厚さの位置において、抵抗率が、過共晶合金材料からの堆積シリコンの抵抗率と比較して一桁以上大きい請求項18に記載の方法。   19. The method of claim 18, wherein for the deposited silicon, the resistivity at a selected thickness location of the material slice is one or more orders of magnitude greater than the resistivity of the deposited silicon from the hypereutectic alloy material. 前記金属シリコン合金材料は酸化に対する親和性が定義された親和性閾値未満であり、この材料が酸化剤に曝露されることによってこの材料が構造保全性を保持することを促進する請求項1に記載の方法。   The metal silicon alloy material has an affinity for oxidation that is less than a defined affinity threshold, and the material is exposed to an oxidant to promote the retention of structural integrity of the material. the method of. 定義された晶子閾値未満の前記金属シリコン合金材料中のシリコン晶子の存在は、注入ガスへの曝露の間の金属シリコン合金材料の構造保全性の低下を抑制する請求項14に記載の方法。   The method of claim 14, wherein the presence of silicon crystallites in the metal silicon alloy material below a defined crystallite threshold suppresses a reduction in structural integrity of the metal silicon alloy material during exposure to an injection gas. シリコンを堆積させるための装置であって:
それぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料と注入ガスを反応させるため、および前記金属シリコン合金材料の原子マトリックスから得られるシリコンを含む化学蒸気搬送ガスを生成させるための第1の反応器と、
シリコンの堆積を促進するように構成されたフィラメントに前記蒸気搬送ガスを流すための出口と;
前記化学蒸気搬送ガスから前記フィラメント上へ精製された形態でシリコンを堆積させるための第2の反応器と
を具備する装置。
An apparatus for depositing silicon comprising:
A chemistry comprising silicon obtained from the reaction of an implanted gas with a metal silicon alloy material having a silicon weight percent less than or equal to the silicon eutectic weight percent defined for each metal silicon alloy and from the atomic matrix of said metal silicon alloy material A first reactor for generating a vapor carrier gas;
An outlet for flowing the vapor carrier gas through a filament configured to promote silicon deposition;
A second reactor for depositing silicon in a purified form from the chemical vapor carrier gas onto the filament.
化学気相堆積(CVP)プロセスでの使用のためのそれぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの選択された共晶重量パーセントにあるシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料であって、前記合金材料中のシリコン晶子の存在が定義された最大晶子閾値以下である金属合金材料。   A metal silicon alloy material having a silicon weight percent at a selected eutectic weight percent of silicon defined for each metal silicon alloy for use in a chemical vapor deposition (CVP) process, said alloy material A metal alloy material in which the presence of silicon crystallites is below a defined maximum crystallite threshold. 化学気相堆積(CVP)プロセスにおける使用のためのそれぞれの金属シリコン合金について定義されたシリコンの共晶重量パーセント以下のシリコン重量パーセントを有する金属シリコン合金材料。   A metal silicon alloy material having a silicon weight percent less than or equal to the silicon eutectic weight percent defined for each metal silicon alloy for use in a chemical vapor deposition (CVP) process.
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